10月 24, 2025

硅效率：创新晶粒布局与晶圆测试

简介：半导体制造中硅效率的追求

 

随着半导体制造商努力提高生产率并最大限度地降低成本，优化晶圆上硅面积的使用已成为一个重点关注领域。

对更小、更强大的电子设备的需求，以及缩小器件尺寸的需求，推动了晶圆布局设计的创新。创新的芯片几何形状和多项目晶圆（MPW）已成为最大化晶圆面积利用率的有效策略。然而，这些进步也给晶圆测试过程带来了独特的挑战，尤其是在使用传统探针技术时。

本文将深入探讨创新的芯片布局（包括非方形芯片和多平面波导）如何提升硅片效率并影响测试流程。此外，我们还将探索先进的测试方法（例如飞针技术）如何实现对这些复杂设计的全面测试，从而进一步提高良率和生产效率。

 

1.利用非正方形芯片几何形状优化硅片利用率

 

传统的半导体芯片通常设计成方形或矩形。这种几何规则性便于芯片在晶圆上的放置，并简化了使用标准化探针进行测试的过程。然而，方形芯片通常并非圆形晶圆空间的最佳利用方式。芯片间未优化的间隙，通常被称为“切缝损失”或“划线”，会降低每片晶圆上可用芯片的良率，最终增加生产成本。

 

非方形模具几何形状作为一种解决方案

 

为了解决这个问题，设计人员开始采用非正方形芯片几何形状，包括三角形、平行四边形和梯形。这些形状的设计灵感源于艺术和数学中的镶嵌原理，可以覆盖晶圆上更大的区域，从而显著减少未使用的空间。例如，六边形或三角形芯片可以实现更密集的布局，并在焊盘放置和I/O集成方面提供更大的自由度，这对于高连接性设备而言尤为有利。

非方形模具的挑战与优势

 

虽然这些形状最大限度地提高了晶圆利用率，但也给晶圆测试过程带来了挑战。传统的探针卡设计用于处理排列整齐的方形芯片。当芯片偏离这种形状或方向时，传统的探针设置可能难以实现对准和覆盖，从而导致效率低下或测试不完整。

然而，非方形芯片的优势远大于这些挑战，尤其是在空间和I/O数量都非常宝贵的高性能应用中。这些芯片布局支持创新架构，并增加了实现更多功能的潜力，这在设备不断小型化和集成多功能性的背景下尤为重要。

 

2.多项目晶圆（MPW）：单晶圆上的规模经济

 

多功能工作系统的概念和优势

 

多项目晶圆 (MPW) 允许多个芯片设计（通常来自不同的项目或公司）共存于同一晶圆上。这种方法对于中小批量生产尤为有利，因为专用晶圆的成本通常过高。通过将多个项目集成到同一晶圆上，制造商可以分摊晶圆制造成本，从而使先进的半导体技术能够应用于小规模应用或研发原型制作。

 

MPW测试挑战

 

虽然多片晶圆 (MPW) 具有经济优势，但却显著增加了晶圆测试的复杂性。MPW 上的每个芯片设计在形状、I/O 布局和测试要求方面都可能有所不同。传统的探针卡设计假设芯片布局统一，因此难以应对这些不同的几何形状，并且可能需要对单个晶圆进行多次探针卡重新配置——这是一个成本高昂且耗时的过程。此外，一些 MPW 包含方向相互镜像或旋转的芯片，这进一步增加了对准和测试流程的复杂性。

基于飞针卡技术的创新型探测解决方案，无需为每个设计定制探针卡，即可适应多晶硅晶圆（MPW）的不规则性。这种灵活性能够以更少的中断实现全面测试，从而降低时间和成本，同时确保晶圆上的每个项目均符合质量和性能标准。

 

 3.先进探测技术在复杂芯片布局测试中的作用

 

创新型芯片布局带来的复杂性要求探测解决方案必须比传统的固定探针卡更加灵活。飞动探针卡技术正是在此发挥了关键作用。该技术利用可独立移动的探针卡，使其能够适应不同的芯片形状、布局和方向，从而提供精确测试非常规芯片布局所需的适应性。

 

飞行探针卡技术如何应对非标准几何形状

 

飞针式探针卡对于非方形芯片和多片式晶圆（MPW）尤其有用，因为它们可以导航至晶圆表面上的各个芯片位置和方向，不受形状限制。探针台配备多达八个独立控制的探针，无需重新配置即可测试各种芯片配置，甚至可以同时测试双面芯片的晶圆两面。这种在晶圆上自由移动的能力还可以快速调整以适应不同的芯片排列，从而显著提高复杂晶圆布局的测试效率。

图 2. 双面晶圆设计原理：芯片可以位于晶圆的两面，或者每个芯片结构需要在两面进行加工。

 

 成本效益和时间节省

 

传统的晶圆测试方法需要定制探针卡设计，制造成本高昂且耗时，尤其对于芯片布局各异的多晶圆而言更是如此。飞针探针卡消除了这些需求，提供了一种可重复使用且适应性强的解决方案，从而缩短了设置时间和降低了工具成本。对于制造商而言，这种灵活性意味着显著的成本节约，尤其是在测试小批量生产或特殊设计时，这些都需要进行大量的重新配置。

 

4.双面晶圆和多层结构：垂直优化及其测试需求

为了满足对更高功能性和更小尺寸的需求，半导体设计越来越多地采用3D集成技术。晶圆双面均有芯片的多层结构为高密度、高性能芯片提供了新的可能性，能够最大限度地缩短互连线长度并提高数据传输速度。例如，双面晶圆设计可以实现上下焊盘访问，从而实现具有多层和互连的复杂设计。

 

 双面和多层晶圆测试的挑战

 

对于传统的探针台设备而言，双面晶圆的测试面临着独特的挑战，因为这类设备通常一次只能对接晶圆的一面。多层晶圆则加剧了这些困难，因为每一层可能都需要单独测试，而且有些层可能需要翻转或重新定位晶圆才能进行测试。

双面探针为解决这些问题提供了一种方案。通过在晶圆的顶部和底部都设置探针，飞针式探针卡可以同时访问晶圆的所有层和侧面。这对于芯片穿透测试和层间连接验证至关重要，使制造商能够全面验证复杂的3D结构。

图 3 – 通过 SPEA TH2000 探针台上的飞探针卡，同时对晶圆两侧进行探测。

 

5.未来展望：布局优化对晶圆测试发展的影响

 

随着芯片架构的不断演进，半导体行业可能会持续重视芯片布局优化，以此降低成本并提高良率。物联网设备、人工智能处理器和微型医疗电子产品等应用的需求将持续增长，对复杂晶圆设计的需求也将不断攀升。这些领域都需要高密度硅集成、更强大的功能和更稳定的性能——而所有这些都可以通过创新的芯片布局和多层结构来实现。

 为了跟上这些趋势，晶圆测试方法也必须相应发展。采用基于飞针卡技术的双面探针进行晶圆测试是一项重要的进步，它为许多新一代晶圆设计提供了传统探针卡无法提供的灵活性、适应性和成本效益。随着探针技术的日益成熟，制造商可以预期测试时间和成本将进一步降低，即使是最复杂的晶圆结构，其评估的可靠性也将得到提升。

 

结论：利用灵活的测试解决方案应对未来半导体行业的挑战

 

创新的芯片布局正在重塑晶圆设计方法，最大限度地提高硅效率，从而降低成本并提升功能。然而，这些进步也给晶圆测试带来了新的挑战，需要适应性强、功能多样的探针解决方案。飞针卡技术凭借其独立移动的探针卡，为应对这些挑战提供了一种突破性的解决方案。通过对非标准芯片、多片晶圆、双面晶圆和多层结构进行高效、全面的测试，新一代晶圆探针台正成为先进半导体制造不可或缺的工具。随着半导体行业不断突破设计界限，基于飞针卡技术的双面探针台等灵活创新的测试解决方案将在支持这些前沿发展方面发挥关键作用。