2.5D微系统中TSV阵列的故障检测方法研究.pdf

摘要

硅通孔（ThroughSiliconVia，TSV）技术的产生为微系统的高度集成化带来了

新的转机。通过TSV技术，微系统实现了由二维集成电路到三维集成电路的转变，

为2.5D微系统提供了高带宽低时延，可扩展的解决方案。然而，TSV作为新兴工

艺，在制造中可能存在各种缺陷，这些缺陷会引发功能性或参数性的故障，高密度

的TSV阵列导致在测试时需要考虑测试时间以及测试成本，因此有效的TSV阵列

故障检测手段能够提高微系统的可靠性以及生产良率。除此之外，测试结构还应提

供全面的故障类型信息，以及能够判断TSV所在位置，以便提升制作工艺或者进

行冗余修复操作，因此研究灵活高效的TSV阵列故障检测方法是必不可少的。

为了提升微系统的可靠性，本文针对2.5D微系统中TSV阵列的故障检测方

法进行研究。首先根据TSV的结构以及故障信息，通过有限元仿真软件HFSS建

模，提取并分析TSV阵列在绑定前和绑定后阶段电学模型及性能，分析故障模型

与无故障模型的区别。针对TSV阵列的绑定前测试，分析绑定前TSV的充放电特

性，通过TSV充放电之间的差异，提出了一种基于TSPC触发器的TSV阵列故障

检测结构，该结构通过对不同故障下TSV的放电差异进行检测从而识别故障，该

方法能够实现多个TSV故障检测。基于上述方法，提出了改进后的测试结构以及

故障诊断流程，复用扫描链的结构能够判断出故障所在位置，从而进行故障诊断，

并且提高了测试精度，能够检测到位于中间位置400Ω的空洞故障以及故障面积在

2

0.4μm以上的漏电故障，并且对于多故障的测试不会误测。针对TSV阵列的绑定

后测试，通过分析TSV阵列中的耦合电容对TSV传输延迟的影响，设计了基于耦

合电容的TSV绑定后测试结构，该结构通过根据距离对TSV阵列进行串扰分组，

在不同组的TSV间施加不同的测试激励，能够对绑定后TSV的参数性故障引起的

小延迟进行检测。上述测试方法均通过仿真实验证明测试结构的有效性，并且与现

有方法进行对比，分析了所提方法的优势。

关键词：2.5D微系统；TSV阵列；故障建模；故障检测

Abstract

TheemergenceofThroughSiliconVia(TSV)technologyhasbroughtanewturnin

thehighintegrationofmicrosystems.ThroughTSVtechnology,themicrosystemrealizes

thetransformationfromtwo-dimensionalintegratedcircuittothree-dimensional

integratedcircuit,providingahigh-bandwidth,low-latency,scalablesolutionfor2.5D

microsystem.However,TSVasanemergingprocess,theremaybevariousdefectsin

manufacturing,whichwillcausefunctionalorparametricfailures,andhigh-densityTSV

arraysleadtotheneedtoconsidertesttimeandtestcostduringtesting,soeffectiveTSV

arrayfaultdetectionmeanscanimprovethereliabilityandproductionyieldof

microsystems.Inaddition,theteststructureshouldalsoprovidecomprehensivefaulttype

informationandbeabletodeterminethelocationofTSVinordertoimprovethe

manufacturing