HBM微凸点连接强度如何检测？Micro Bump剪切测试方法
随着AI服务器和高性能计算对存储带宽的需求持续增长，HBM高带宽存储器正从HBM3E向HBM4升级。两者不仅存在传输速率和接口宽度的差异，在DRAM堆叠、TSV垂直互连、Micro Bump微凸点及基底芯片设计方面，也有不同的封装要求。
那么，HBM3E与HBM4封装有什么区别？两者的堆叠结构发生了哪些变化？Micro Bump连接可靠性又该如何检测？本文科准测控小编围绕HBM3E与HBM4的封装结构、连接失效模式及AlphaW260推拉力测试机应用，为您进行详细介绍。
一、HBM3E与HBM4有什么区别？
HBM（High Bandwidth Memory）是一种采用三维堆叠结构的高带宽存储器。多层DRAM芯片通过TSV硅通孔及芯片间连接结构实现垂直互连，再通过基底芯片与外部处理器系统进行数据传输。
1. HBM3E：1024bit接口不变，重点提高传输速率
HBM3E是HBM3的增强版本，保持1024bit接口宽度，通过提高单引脚数据传输速率、优化DRAM设计及堆叠工艺，进一步提升存储带宽。
HBM3E已广泛应用于AI加速器等高性能计算产品，常见堆叠配置包括8Hi、12Hi，也已有16Hi产品。
在封装可靠性方面，HBM3E主要关注TSV互连、Micro Bump连接、堆叠翘曲及填充材料界面等问题。
2. HBM4：接口扩展至2048bit，封装互连进一步升级
HBM4最大的架构变化，是将接口宽度从1024bit提升至2048bit，独立通道数量从16个增加至32个，从而实现更高的存储带宽。
HBM4可采用12Hi、16Hi等堆叠配置。随着接口宽度扩大，基底芯片的I/O布局、信号分配及外部互连设计需要相应调整，对封装制造精度和连接可靠性提出了更高要求。
从技术路线来看，HBM3E主要通过提高数据传输速率实现带宽升级，而HBM4进一步通过接口宽度翻倍及架构调整提升带宽。
二、HBM3E与HBM4的堆叠结构有哪些变化？
虽然HBM3E与HBM4都采用三维堆叠封装，但HBM4的接口和基底芯片设计变化，使封装互连布局更加复杂。
1. DRAM芯片堆叠
HBM通过垂直堆叠多层DRAM芯片提高单位封装面积内的存储容量。
8Hi、12Hi、16Hi分别表示8层、12层和16层DRAM芯片堆叠，通常不包含底部基底芯片。
随着堆叠层数增加，封装需要控制芯片厚度、层间间距、对准精度及整体翘曲。若芯片减薄或层间连接控制不当，可能出现硅片裂纹、局部应力集中及界面分层。
2. TSV硅通孔垂直互连
TSV（Through-Silicon Via）是在硅芯片内部形成垂直导电通路，用于连接不同DRAM层之间的信号及电源网络。
HBM3E与HBM4均采用TSV技术。HBM4接口宽度扩大，对垂直互连网络和基底芯片的信号分配提出新的设计要求。
由于TSV内部金属与硅材料的热膨胀特性不同，封装在温度变化过程中可能出现局部应力集中、界面分离或硅材料开裂。
3. Micro Bump微凸点连接
Micro Bump用于连接相邻芯片，是HBM堆叠中的芯片间互连结构之一。
微凸点不仅承担电气连接功能，也需要在封装制造及使用过程中保持连接完整性。
随着封装互连密度提高，微凸点尺寸、间距、共面性和连接界面的一致性需要严格控制。如果焊接或键合工艺不稳定，可能出现焊点开裂、界面脱离及局部连接失效。
HBM4并不意味着所有产品都采用Hybrid Bonding混合键合。具体芯片间连接方式仍取决于制造商的封装工艺路线。
4. 基底芯片与外部连接
HBM堆叠底部通常设置基底芯片（Base Die），负责部分接口连接、信号分配等功能。
HBM4将接口宽度扩大至2048bit，需要重新优化基底芯片的I/O布局及相关互连结构。
因此，HBM4封装可靠性不仅涉及DRAM层间连接，还需要关注基底芯片与外部封装结构之间的连接质量。
三、HBM3E与HBM4封装有哪些常见连接失效？
HBM封装包含多层芯片、金属互连及填充材料，不同材料的机械性能和热膨胀特性存在差异。在封装制造、温度循环及长期运行过程中，可能出现以下失效。
1. Micro Bump微凸点开裂
当微凸点连接界面存在焊接缺陷、局部应力集中或热疲劳损伤时，可能出现焊料开裂、界面分离及焊盘剥离。
2. TSV界面分离
TSV金属与周围硅材料之间存在热膨胀差异，温度变化可能导致局部应力集中，进而引起界面分离或周围硅材料开裂。
3. 芯片堆叠界面分层
随着DRAM堆叠层数增加，芯片之间的连接及填充材料界面需要承受复杂的机械和热应力。如果界面结合不足，可能发生局部分层。
4. 芯片翘曲与基材损伤
芯片减薄、材料热膨胀差异及封装固化工艺都可能影响堆叠结构的平整度。过大的翘曲可能改变连接界面的应力分布，甚至导致局部芯片破裂。
因此，HBM封装可靠性评价需要结合连接强度、失效位置、界面形貌及环境可靠性试验，不能仅依据单一最大载荷判断封装质量。
四、HBM3E与HBM4封装连接可靠性如何测试？
对于HBM封装中的机械连接结构，可根据测试对象选择Micro Bump剪切、Die Shear芯片剪切及相关界面可靠性试验。
1. Micro Bump微凸点剪切测试
微凸点剪切测试主要用于评价可接触微凸点及其连接界面的抗剪能力。
测试时，将微凸点测试试样固定在推拉力测试机平台上，通过显微系统定位目标凸点，根据其尺寸选择合适的剪切刀具。
设置剪切高度与加载速度后，刀具沿规定方向推动微凸点，记录最大剪切力，并观察焊料断裂、界面脱离及焊盘剥离等失效模式。
对于较小间距的微凸点，需要控制刀具尺寸、剪切高度及定位位置，避免刀具接触相邻凸点或基材。
2. Die Shear芯片剪切测试
Die Shear主要用于评价可接触芯片键合结构或专用测试试样的抗剪能力。
测试时，通过夹具固定试样，使用剪切刀具对芯片侧面施加载荷，记录最大剪切力，并结合断裂位置分析连接界面的机械强度。
对于HBM相关结构，需要根据芯片厚度、键合材料及支撑条件确定测试方法。
3. TSV及堆叠界面可靠性测试
TSV和芯片堆叠界面的失效通常需要结合多种检测手段进行评价。
例如，通过温度循环试验观察热应力影响，使用SEM或FIB截面分析检查局部裂纹，通过C-SAM扫描声学显微检测识别封装内部可能存在的分层。
对于专门设计的界面力学试样，也可采用相应的剪切或拉伸方法进行补充验证。
五、推拉力测试机在HBM封装可靠性检测中的应用
针对HBM3E与HBM4封装中的微凸点及芯片连接结构，科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据具体试样尺寸、连接方式及预计测试力值，配置相应力值模块、剪切刀具和夹具，评估开展微凸点剪切及专用芯片剪切测试的可行性。
在Micro Bump测试中，通过显微系统定位目标凸点，设置剪切高度和加载速度，记录加载过程中的最大剪切力及力值变化，并结合测试后的焊点残留和失效形貌分析连接质量。
对于阵列式测试试样，还可根据设备配置及样品布局，评估自动定位与批量测试功能，统计不同位置的连接强度，辅助分析工艺一致性。
以上就是科准测控小编为您介绍的HBM3E与HBM4封装区别、堆叠结构及连接可靠性测试方法。从机械可靠性角度看，两者均需关注Micro Bump连接、TSV界面、芯片堆叠及封装热应力。对于可接触的微凸点和专用芯片键合试样，可通过AlphaW260推拉力测试获得剪切强度数据，并结合断口分析及环境可靠性试验评价连接质量。
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