在集成电路制造领域，Seal ring 虽不直接参与电路信号处理，却是芯片物理防护体系的核心构件。这个看似简单的环形结构，从版图设计到工艺实现都承载着多重使命，是保障芯片可靠性的关键屏障。本文将从定义、结构、作用及缺失风险四个维度，全面解析这一芯片 "守护者" 的技术内涵。

 

一、多维视角下的定义阐释

 

从版图设计（Layout）角度，Seal ring 是由有源区（diff）、过孔（contact）、通孔（via）和金属层（metal）等工艺层次按严格设计规则（Design Rule）叠加而成的闭合图形。这些层次并非简单堆砌，而是遵循各层 "暗 / 明"（dark/clear）属性的匹配原则 —— 只有当设计层与工艺层属性一致时，才会在 Seal ring 中保留该层图形，形成立体防护结构。

 

从工艺实现角度，Seal ring 呈现为金属层、氧化层、钝化层的复合结构。其本质是在芯片边缘构建一圈 "电子堤坝"：底层金属层提供导电通路，氧化层隔离水汽，钝化层抵御机械冲击，三层协同形成多维度防护体系。

 

从物理布局角度，Seal ring 位于芯片（Chip）与划片槽（Scribe Line）之间，犹如一道环形缓冲带。其宽度通常遵循 10 微米以上的设计规范，为后续芯片切割预留安全边界，避免切割应力直接作用于核心电路区域。

 

二、精密构造的层次解析

 

Seal ring 的核心构造包含四大工艺层次：

 

有源区（Diffusion）：作为底层支撑，通常采用 P + 掺杂形成导电通道，与衬底接地网络连接，为静电释放提供低阻抗路径。靠近 Seal ring 的扩散区需特别设计浅硅化物（Salicide）结构，通过添加 RPO（反刻保护层）或 SAB（硅化阻挡层），增强 ESD 防护能力。

 

过孔与通孔（Contact/Via）：区别于普通电路的离散方孔设计，Seal ring 采用连续长条孔构造，形成 "护城河" 式导电通路。相邻层的孔结构需错位排列，避免垂直方向形成直通通道，这种设计能有效吸收切割过程中产生的水汽，防止内部电路受潮。

 

金属层（Metal）：优先使用上层金属（如 Metal2 及以上）连接核心电路与 Seal ring，避免底层金属（Metal1）因厚度不足导致的机械脆弱性。宽金属连接时，需避免在近环区域开槽，确保护环的结构完整性。

 

氧化与钝化层：通过热氧化形成致密氧化层隔离水汽，表面覆盖氮化硅或聚酰亚胺等钝化材料，构建机械缓冲层，抵御切割时的机械应力。

 

三、多重防护的核心作用

 

（一）机械防护：抵御切割冲击

 

作为芯片切割的物理缓冲带，Seal ring 承担着 90% 以上的机械应力。划片刀在划片槽（Scribe Line）作业时，振动和摩擦产生的应力通过 Seal ring 的金属 - 氧化层复合结构逐级衰减，避免核心电路因应力集中出现裂痕。特别是芯片四角的强化结构，能有效防止切割偏斜导致的边缘损伤。

 

（二）环境隔离：阻断水汽入侵

 

切割过程中产生的微裂纹可能成为水汽渗透通道，Seal ring 的连续长孔结构与多层钝化层形成 "迷宫式" 隔离：金属层导电网络吸收切割产生的游离水，氧化层阻断液态水渗透，钝化层隔绝气态水分子。实测数据显示，带 Seal ring 的芯片在 85℃/85% RH 环境下的失效时间比无环结构延长 3 倍以上。

 

（三）静电防护：构建泄放网络

 

切割摩擦产生的静电通过 Seal ring 的 P + 有源区迅速导入接地系统，邻近的环结构形成并联泄放通道，将瞬间电流冲击分摊到整个芯片边缘。这种设计使 ESD 防护能力提升 40%，尤其对高速接口电路的保护效果显著。

 

（四）电磁屏蔽：隔离外部干扰

 

通过将 Seal ring 整体接地，形成环绕式电磁屏蔽层，有效衰减外部电磁场对芯片内部的耦合干扰。在射频芯片中，该结构可降低 20dB 以上的寄生耦合噪声，保障高频信号的完整性。

 

四、缺失 Seal ring 的潜在风险

 

（一）机械损伤风险加剧

 

无 Seal ring 的芯片在切割时，机械应力直接作用于 IO 环区域，导致边缘电路断裂的概率增加 60%。某 MCU 芯片案例显示，省略 Seal ring 后，切割良率从 98% 骤降至 82%，主要失效模式为边缘晶体管栅氧破裂。

 

（二）环境可靠性下降

 

潮气从切割断面侵入后，会导致金属层电迁移速率加快，尤其在混合信号芯片中，湿气引发的漏电流可使待机功耗升高 30% 以上。存储芯片的位线漏电问题更为严重，无环结构的芯片在潮湿环境下的数据保持时间缩短至标准值的 1/5。

 

（三）静电防护失效

 

切割产生的静电无法及时泄放，导致 ESD 事件能量集中于核心电路。某 ADC 芯片实测显示，无 Seal ring 时，±2kV 静电放电即可造成 15% 的通道失效，而标准结构可承受 ±4kV 冲击无损伤。

 

（四）电磁兼容性恶化

 

外部电磁干扰直接耦合至边缘电路，导致模拟信号信噪比下降 15dB，数字电路的时钟抖动增加 25%。在车规级芯片中，这种干扰可能引发逻辑误判，威胁系统安全。

 

（五）工艺兼容性问题

 

省略 Seal ring 后，划片槽与核心电路距离不足，可能导致切割过程中砂轮碎屑飞溅至芯片表面，造成表层金属短路。某功率芯片案例中，因 Seal ring 缺失引发的短路失效占比达 22%。

 

结语：平衡设计的重要考量

 

Seal ring 的设计本质上是可靠性与成本的平衡：尽管增加约 5%-8% 的芯片面积，但能显著提升良率和长期可靠性。随着先进封装技术（如 SiP、2.5D 集成）的发展，Seal ring 的功能正从单一机械防护向多功能复合防护进化，未来可能集成应力传感器、环境监测等智能模块。对于设计者而言，遵循 Foundry 提供的设计规则，合理优化环结构参数，是打造高可靠性芯片的必要前提。在追求极致集成度的同时，切勿忽视这道守护芯片的 "隐形长城"。

 

 

来源：国芯制造

关键词： 芯片