芯耀
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在集成電路制造領(lǐng)域，Seal ring 雖不直接參與電路信號(hào)處理，卻是芯片物理防護(hù)體系的核心構(gòu)件。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的環(huán)形結(jié)構(gòu)，從版圖設(shè)計(jì)到工藝實(shí)現(xiàn)都承載著多重使命，是保障芯片可靠性的關(guān)鍵屏障。本文將從定義、結(jié)構(gòu)、作用及缺失風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)維度，全面解析這一芯片 "守護(hù)者" 的技術(shù)內(nèi)涵。
一、多維視角下的定義闡釋
從版圖設(shè)計(jì)（Layout）角度，Seal ring 是由有源區(qū)（diff）、過(guò)孔（contact）、通孔（via）和金屬層（metal）等工藝層次按嚴(yán)格設(shè)計(jì)規(guī)則（Design Rule）疊加而成的閉合圖形。這些層次并非簡(jiǎn)單堆砌，而是遵循各層 "暗 / 明"（dark/clear）屬性的匹配原則 —— 只有當(dāng)設(shè)計(jì)層與工藝層屬性一致時(shí)，才會(huì)在 Seal ring 中保留該層圖形，形成立體防護(hù)結(jié)構(gòu)。
從工藝實(shí)現(xiàn)角度，Seal ring 呈現(xiàn)為金屬層、氧化層、鈍化層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其本質(zhì)是在芯片邊緣構(gòu)建一圈 "電子堤壩"：底層金屬層提供導(dǎo)電通路，氧化層隔離水汽，鈍化層抵御機(jī)械沖擊，三層協(xié)同形成多維度防護(hù)體系。
從物理布局角度，Seal ring 位于芯片（Chip）與劃片槽（Scribe Line）之間，猶如一道環(huán)形緩沖帶。其寬度通常遵循?10 微米以上的設(shè)計(jì)規(guī)范，為后續(xù)芯片切割預(yù)留安全邊界，避免切割應(yīng)力直接作用于核心電路區(qū)域。
二、精密構(gòu)造的層次解析
Seal ring 的核心構(gòu)造包含四大工藝層次：
有源區(qū)（Diffusion）：作為底層支撐，通常采用 P + 摻雜形成導(dǎo)電通道，與襯底接地網(wǎng)絡(luò)連接，為靜電釋放提供低阻抗路徑。靠近 Seal ring 的擴(kuò)散區(qū)需特別設(shè)計(jì)淺硅化物（Salicide）結(jié)構(gòu)，通過(guò)添加 RPO（反刻保護(hù)層）或 SAB（硅化阻擋層），增強(qiáng) ESD 防護(hù)能力。
過(guò)孔與通孔（Contact/Via）：區(qū)別于普通電路的離散方孔設(shè)計(jì)，Seal ring 采用連續(xù)長(zhǎng)條孔構(gòu)造，形成 "護(hù)城河" 式導(dǎo)電通路。相鄰層的孔結(jié)構(gòu)需錯(cuò)位排列，避免垂直方向形成直通通道，這種設(shè)計(jì)能有效吸收切割過(guò)程中產(chǎn)生的水汽，防止內(nèi)部電路受潮。
金屬層（Metal）：優(yōu)先使用上層金屬（如 Metal2 及以上）連接核心電路與 Seal ring，避免底層金屬（Metal1）因厚度不足導(dǎo)致的機(jī)械脆弱性。寬金屬連接時(shí)，需避免在近環(huán)區(qū)域開(kāi)槽，確保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)完整性。
氧化與鈍化層：通過(guò)熱氧化形成致密氧化層隔離水汽，表面覆蓋氮化硅或聚酰亞胺等鈍化材料，構(gòu)建機(jī)械緩沖層，抵御切割時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。
三、多重防護(hù)的核心作用
（一）機(jī)械防護(hù)：抵御切割沖擊
作為芯片切割的物理緩沖帶，Seal ring 承擔(dān)著 90% 以上的機(jī)械應(yīng)力。劃片刀在劃片槽（Scribe Line）作業(yè)時(shí)，振動(dòng)和摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò) Seal ring 的金屬 - 氧化層復(fù)合結(jié)構(gòu)逐級(jí)衰減，避免核心電路因應(yīng)力集中出現(xiàn)裂痕。特別是芯片四角的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，能有效防止切割偏斜導(dǎo)致的邊緣損傷。
（二）環(huán)境隔離：阻斷水汽入侵
切割過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋可能成為水汽滲透通道，Seal ring 的連續(xù)長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)與多層鈍化層形成 "迷宮式" 隔離：金屬層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)吸收切割產(chǎn)生的游離水，氧化層阻斷液態(tài)水滲透，鈍化層隔絕氣態(tài)水分子。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，帶 Seal ring 的芯片在 85℃/85% RH 環(huán)境下的失效時(shí)間比無(wú)環(huán)結(jié)構(gòu)延長(zhǎng) 3 倍以上。
（三）靜電防護(hù)：構(gòu)建泄放網(wǎng)絡(luò)
切割摩擦產(chǎn)生的靜電通過(guò) Seal ring 的 P + 有源區(qū)迅速導(dǎo)入接地系統(tǒng)，鄰近的環(huán)結(jié)構(gòu)形成并聯(lián)泄放通道，將瞬間電流沖擊分?jǐn)偟秸麄€(gè)芯片邊緣。這種設(shè)計(jì)使 ESD 防護(hù)能力提升 40%，尤其對(duì)高速接口電路的保護(hù)效果顯著。
（四）電磁屏蔽：隔離外部干擾
通過(guò)將 Seal ring 整體接地，形成環(huán)繞式電磁屏蔽層，有效衰減外部電磁場(chǎng)對(duì)芯片內(nèi)部的耦合干擾。在射頻芯片中，該結(jié)構(gòu)可降低 20dB 以上的寄生耦合噪聲，保障高頻信號(hào)的完整性。
四、缺失 Seal ring 的潛在風(fēng)險(xiǎn)
（一）機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)加劇
無(wú) Seal ring 的芯片在切割時(shí)，機(jī)械應(yīng)力直接作用于 IO 環(huán)區(qū)域，導(dǎo)致邊緣電路斷裂的概率增加 60%。某 MCU 芯片案例顯示，省略 Seal ring 后，切割良率從 98% 驟降至 82%，主要失效模式為邊緣晶體管柵氧破裂。
（二）環(huán)境可靠性下降
潮氣從切割斷面侵入后，會(huì)導(dǎo)致金屬層電遷移速率加快，尤其在混合信號(hào)芯片中，濕氣引發(fā)的漏電流可使待機(jī)功耗升高 30% 以上。存儲(chǔ)芯片的位線漏電問(wèn)題更為嚴(yán)重，無(wú)環(huán)結(jié)構(gòu)的芯片在潮濕環(huán)境下的數(shù)據(jù)保持時(shí)間縮短至標(biāo)準(zhǔn)值的 1/5。
（三）靜電防護(hù)失效
切割產(chǎn)生的靜電無(wú)法及時(shí)泄放，導(dǎo)致 ESD 事件能量集中于核心電路。某 ADC 芯片實(shí)測(cè)顯示，無(wú) Seal ring 時(shí)，±2kV 靜電放電即可造成 15% 的通道失效，而標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可承受 ±4kV 沖擊無(wú)損傷。
（四）電磁兼容性惡化
外部電磁干擾直接耦合至邊緣電路，導(dǎo)致模擬信號(hào)信噪比下降 15dB，數(shù)字電路的時(shí)鐘抖動(dòng)增加 25%。在車規(guī)級(jí)芯片中，這種干擾可能引發(fā)邏輯誤判，威脅系統(tǒng)安全。
（五）工藝兼容性問(wèn)題
省略 Seal ring 后，劃片槽與核心電路距離不足，可能導(dǎo)致切割過(guò)程中砂輪碎屑飛濺至芯片表面，造成表層金屬短路。某功率芯片案例中，因 Seal ring 缺失引發(fā)的短路失效占比達(dá) 22%。
結(jié)語(yǔ)：平衡設(shè)計(jì)的重要考量
Seal ring 的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是可靠性與成本的平衡：盡管增加約 5%-8% 的芯片面積，但能顯著提升良率和長(zhǎng)期可靠性。隨著先進(jìn)封裝技術(shù)（如 SiP、2.5D 集成）的發(fā)展，Seal ring 的功能正從單一機(jī)械防護(hù)向多功能復(fù)合防護(hù)進(jìn)化，未來(lái)可能集成應(yīng)力傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)等智能模塊。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，遵循 Foundry 提供的設(shè)計(jì)規(guī)則，合理優(yōu)化環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是打造高可靠性芯片的必要前提。在追求極致集成度的同時(shí)，切勿忽視這道守護(hù)芯片的 "隱形長(zhǎng)城"。
The END歡迎大家交流，每日?qǐng)?jiān)持分享芯片制造干貨，您的關(guān)注+點(diǎn)贊+在看?是我持續(xù)創(chuàng)作高質(zhì)量文章的動(dòng)力，謝謝！
