HBM先进封装结构与可靠性测试方法研究：Micro Bump剪切测试技术解析

近年来，随着人工智能、大语言模型（LLM）、自动驾驶以及高性能计算（HPC）的快速发展，AI模型规模不断扩大，对芯片的数据处理能力和存储带宽提出更高要求。在这一背景下，HBM凭借高带宽、低功耗以及高集成度优势，成为AI芯片和高性能计算系统中的关键技术。

 

区别于传统存储架构，HBM通过多层DRAM芯片堆叠、TSV硅通孔以及先进封装技术，实现芯片之间高速数据互连。然而，随着堆叠层数增加、互连尺寸缩小，HBM先进封装结构的复杂度在不断提升。本文科准测控小编就围绕HBM封装可靠性测试方法展开介绍，解析HBM先进封装结构、Micro Bump失效风险、可靠性测试方法，以及推拉力测试机在HBM先进封装测试中的应用。

 

一、HBM是什么？

HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）是一种面向高性能计算和AI芯片应用的高带宽存储技术。

与传统DDR、LPDDR等二维存储架构不同，HBM采用三维堆叠方式，将多层DRAM芯片垂直集成，并通过先进封装技术实现芯片之间的高速互连。通过缩短计算芯片与存储单元之间的数据传输路径，提高数据带宽和数据访问效率。

 

 

二、HBM先进封装结构解析

在HBM封装结构中，主要涉及：

多层DRAM芯片堆叠；

TSV（Through Silicon Via，硅通孔）垂直互连；

Micro Bump（微凸点）高密度连接；

Logic Die逻辑芯片；

Interposer中介层。

 

 

1. TSV硅通孔技术

TSV（Through Silicon Via）是一种通过硅片内部形成垂直导电通道的技术。

相比传统芯片外围连接方式，TSV能够实现芯片上下层之间直接通信，缩短信号传输距离，降低信号延迟，提升数据传输效率。

2. Micro Bump微凸点技术

Micro Bump是连接不同芯片层的重要结构，它主要承担电信号传输和芯片机械连接。相比传统封装焊球，Micro Bump尺寸更小、间距更密、数量更多，这使HBM能够实现更高的数据带宽。

 

三、HBM封装可靠性挑战

HBM通过先进封装实现高性能，但复杂结构也带来了新的可靠性问题。

1. 热机械应力导致失效

AI芯片运行过程中会产生大量热量。

由于HBM封装内部包含硅材料、铜互连、焊料材料、金属层等，不同材料之间热膨胀系数存在差异。在长期温度变化过程中，封装内部会产生周期性机械应力。长期累积后可能导致Micro Bump疲劳、界面裂纹、甚至连接失效。

2. 微连接界面失效

Micro Bump尺寸较小，连接区域有限。

如果制造过程中存在表面污染、键合压力不足、材料结合异常，可能导致界面结合强度下降。

常见问题包括：焊料区域断裂、界面脱离、连接阻抗变化。

3. 高密度堆叠带来的可靠性风险

随着HBM向更高堆叠层数发展，芯片数量增加、连接点数量增加、制造难度提升。单个微连接结构异常，都可能影响整体封装性能。因此，需要通过可靠性测试对关键结构进行验证。

 

四、HBM封装可靠性测试方法有哪些？

针对HBM先进封装结构，目前主要通过多种测试方法评价产品可靠性。

1. 电性能测试：主要验证信号传输能力、电连接稳定性、功能完整性。

2. 热可靠性测试：通过模拟实际工作环境，评价封装结构长期稳定性。常见方法包括：温度循环测试、高温存储测试、热冲击测试。

3. 失效分析：当产品出现异常时，需要通过分析手段定位问题。常见方法：X-Ray检测、截面分析、SEM观察。通过观察内部结构，可以判断：裂纹位置、界面状态、连接异常原因。

4. 力学可靠性测试：除了电性能和热性能验证，HBM内部微连接结构还需要进行力学可靠性评价。其中，Micro Bump剪切测试是重要测试方法之一。

 

五、Micro Bump剪切测试原理

Micro Bump剪切测试主要用于评价微凸点连接强度。

测试过程中，通过微型剪切工具对Micro Bump施加水平载荷。

随着载荷增加：

Micro Bump产生变形；

↓

连接界面承受剪切应力；

↓

达到极限强度后发生失效。

测试过程中主要关注：

1. 最大剪切力：反映Micro Bump承受机械载荷的能力。

2. 力-位移曲线：记录加载过程、结构变形、失效瞬间。帮助工程人员分析失效行为。

3. 失效模式：结合显微观察，可以判断焊料内部断裂、界面断裂、芯片损伤。通过测试数据与失效形貌结合，可以更加准确评价HBM封装可靠性。

 

六、推拉力测试机在HBM封装可靠性测试中的应用

由于HBM封装结构尺寸不断缩小，传统力学测试设备难以满足微连接结构测试需求。

推拉力测试机主要用于先进封装中的微小连接结构力学性能评价。

在HBM相关测试中，可应用于：

1. Micro Bump剪切测试

主要评价：微凸点结合强度、界面可靠性、制造工艺一致性。

2. 芯片剪切测试

用于评价：Die Attach连接强度、芯片与基板结合状态。

 

3. 其他微连接可靠性测试

例如：

焊球剪切测试；

焊点推力测试；

键合结构测试。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机针对半导体封装可靠性测试需求设计，可通过高精度力值采集、微型测试工装以及力-位移数据分析，实现对微电子连接结构的可靠性评价。

 

以上就是科准测控小编为您介绍的HBM封装可靠性测试方法，以及Micro Bump剪切测试与推拉力测试机应用解析。随着HBM向更高带宽、更高堆叠密度方向发展，先进封装可靠性测试技术将成为半导体产业可持续发展的重要支撑。如果您还有关于HBM封装可靠性测试、Micro Bump剪切测试、芯片剪切测试、半导体封装推拉力测试机以及微电子器件力学可靠性验证方案等相关需求，欢迎联系科准测控，我们将根据您的测试需求提供专业的测试方案与技术支持。