高頻記憶體（High Bandwidth Memory；HBM）是一種被廣泛應用於高效能運算（HPC）、AI、GPU等領域的先進記憶體技術。它通過3D堆疊DRAM晶片，與主處理器或GPU進行垂直互連，以達到更高的數據傳輸速度和更低的延遲。儘管HBM在性能上具有顯著優勢，但在設計和測試階段也面臨諸多挑戰。

設計挑戰

HBM必須使用高頻測試儀器，如高頻示波器和向量網路分析儀，來測量訊號完整性和數據傳輸準確性。

HBM的3D堆疊設計導致晶片密度增高，並且堆疊的DRAM晶片與主處理器（如GPU）緊密整合，這會產生大量熱量。有效的散熱解決方案必須被考慮，以防止過熱造成性能下降或硬體損壞。這需要精心設計的散熱片、熱界面材料（TIM）以及可能的液冷技術。

在高頻操作下，訊號完整性（Signal Integrity）問題變得更為明顯。由於HBM採用寬I/O介面設計，數百到數千條數據線同時操作會導致訊號串擾（crosstalk）和反射。設計者必須採用精細的布局和屏蔽技術來減少這些效應。此外，電磁干擾（EMI）和電壓降（IR drop）也是需要解決的問題。

圖一 : HBM的高頻操作對測試設備的能力提出了高要求。

HBM的運行需要穩定且低噪音的電源供應，以確保數據傳輸的可靠性。由於HBM模組中包含多個電源域（如內核、I/O），電源分配網絡（PDN）的設計必須考慮到電壓調節、去耦合以及降壓轉換器的配置。降低功耗和提高效率是設計中的關鍵考量。

HBM晶片堆疊在邏輯基板上，並使用矽通孔（TSV）技術進行互連。不同材料的熱膨脹係數（CTE）差異會導致在溫度變化時產生機械應力，從而影響封裝的長期可靠性。應力分析和設計的考量可以更為確保HBM模組的耐用性。

HBM模塊的製造需要先進的封裝技術，如2.5D或3D封裝。這些技術要求高精度的對位和焊接技術，並且需要在非常精細的尺度上工作（微米級別）。此外，TSV的製程和晶圓級封裝技術的發展對於HBM的商業化也有直接關連。

高頻測試

HBM的高頻操作（幾百MHz到上GHz級別）對測試設備的能力提出了高要求。必須使用高頻測試儀器，如高頻寬示波器和向量網路分析儀，來測量訊號的完整性和數據傳輸的準確性。這些儀器需要能夠處理多通道的同步測試以檢查所有數據線。

3D堆疊測試

傳統的平面測試方法難以檢測HBM中3D堆疊結構的缺陷。需要開發專門的測試方法來檢測堆疊中的每一層和TSV的連接性。此外，3D堆疊中的熱效應可能會影響測試結果，需要在測試過程中對熱環境進行控制。

TSV測試

TSV技術是HBM實現高密度互連的關鍵，但也帶來了測試的複雜性。TSV可能會因為製程中的缺陷或機械應力導致開路或短路。需要高精度的測試方法來檢測TSV的完整性和性能，如掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束（FIB）技術。

功能測試與可靠性測試

除了測試基本的讀寫功能外，還需要進行可靠性測試以模擬長期使用下的環境應力，如溫度循環、濕度和電壓壓力測試。這些測試有助於確保HBM模組在實際操作環境中的穩定性和可靠性。

測試時間與成本

HBM的多層結構和大量的I/O引腳增加了測試時間和測試成本。優化測試過程以減少時間和成本同時保證測試覆蓋率是測試工程師面臨的挑戰。自動化測試設備（ATE）和多通道並行測試技術的引入有助於提高測試效率。

半導體測試市場

目前在記憶體測試相關領域擁有解決方案的廠商包括許多半導體測試設備製造商、測試服務供應商和專注於測試技術的公司。這些廠商提供針對DRAM、HBM（高頻記憶體）、NAND、SRAM等各種記憶體類型的測試設備和解決方案。

Advantest

圖二 : Advantest的V93000半導體測試平台

Advantest是半導體自動化測試設備（ATE）供應商之一，特別在記憶體測試解決方案方面擁有廣泛的經驗和技術優勢。T5800系列是Advantest為高頻記憶體測試而設計的專用測試平台，主要針對DRAM、NAND、NOR Flash、SRAM以及HBM等多種類型的記憶體。這些測試系統可以滿足從設計驗證到大規模生產測試的多樣化需求。T5800系列支持高達數GHz的測試頻率，能夠應對包括HBM在內的最新一代高頻記憶體的測試需求。

此外，V93000平台也是Advantest的半導體測試解決方案之一，專門為測試從邏輯IC到多種類型記憶體而設計。它具備模組化設計，能夠靈活適應不同的測試需求，並且經常被用於高端DRAM和快閃記憶體的測試。

R&S

圖三 : R＆S的SMW200A向量信號產生器

在半導體測試領域，R&S提供了多種針對IC、RF元件、高頻電路等的測試設備和解決方案。R&S提供針對高頻半導體元件的測試設備，包括向量網路分析儀、信號產生器、示波器和頻譜分析儀。這些設備在高頻電路和RF元件的設計與驗證中扮演著關鍵角色。R&S的ZVA和ZNB系列VNA支持高達110 GHz的頻率測量。這些設備具備高精度S參數測量功能，適用於射頻和微波元件的特性分析，如放大器、濾波器、天線和混頻器等。SMW200A高性能向量信號產生器可生成高達67 GHz的精確信號，支持多載波、寬帶和調製訊號的測試需求。適合用於5G、Wi-Fi 6E、毫米波和其他高頻應用的半導體測試。

R&S的RTP系列示波器支援高達8 GHz的頻寬和20 GSa/s的取樣率，具備低噪聲和高靈敏度，非常適合用於半導體器件的訊號分析。內建的硬體加速功能允許進行實時信號完整性分析，如眼圖、抖動分佈、串擾分析等。

安立知

安立知（Anritsu）專注於無線、光纖通信和高頻測試技術。安立知的半導體測試解決方案涵蓋了從元件級測試到系統級驗證的全範圍，特別在高速通信、射頻（RF）、毫米波、以及光纖通信等領域具有強大的技術實力。安立知的VectorStar系列VNA提供達220 GHz的頻率覆蓋，適合毫米波元件、5G、Wi-Fi 6E、和自動駕駛汽車雷達等高頻應用的測試。這些分析儀支持精確的S參數測量、高頻諧波失真分析和高動態範圍的測量。

安立知的MG3690A系列信號產生器能生成寬頻調製信號，支持從幾Hz到110 GHz的頻率範圍，適用於射頻和毫米波的測試需求。該設備支持模擬多種通訊標準，如LTE、5G NR、Wi-Fi等。而MS2850A頻譜分析儀支持高達44.5 GHz的分析頻率範圍，並且具備大動態範圍和低相位噪聲特性，適用於RF信號的頻譜分析、調製分析和信號完整性測試。

圖四 : VectorStar與ShockLine向量網路分析儀系列

Keysight

Keysight在半導體測試領域的解決方案覆蓋了設計、驗證、製造和故障診斷等所有階段。在高頻示波器方面，Keysight的Infiniium UXR系列示波器提供達110 GHz的頻寬和極低的噪訊，非常適合測試高頻記憶體（如HBM）、RF元件和數據通訊IC。這些示波器能夠精確捕捉快速信號過渡，並提供詳細的抖動分析和訊號完整性測試。另外VNA如PNA-X系列，可支持多埠測試，適用於半導體元件的S參數測量、增益壓縮和諧波失真測試。這些設備有助於分析和優化半導體元件的射頻性能。

結語

HBM技術的設計和測試挑戰涉及到熱管理、訊號完整性、電源管理、封裝可靠性和先進製造技術等多方面。同時，測試方面也面臨高頻操作、3D結構測試、TSV完整性檢查和長期可靠性驗證等問題。這些挑戰需要先進的技術和設備來克服，並且隨著半導體製程和封裝技術的進步，相信HBM技術將在高效能運算和AI應用中發揮越來越重要的作用。