Boundary-Scan/JTAG：驾驭AI芯片互连与载板PCB的封装与高速互連挑战

在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的浪潮下，芯片设计正朝着 Chiplet 和 2.5D/3D 封装的异构集成时代迈进。这些先进封装内的 SoC、HBM 和 I/O 模块通过数以万计的微凸点（Micro-bump）和高密度 RDL（重布线层）互连，对载板 PCB 的制造精度和组装可靠性提出了前所未有的挑战。当物理探针无法触及这些深埋于封装内部的连接点时，传统的在线测试（ICT）方法已然失效。此时，Boundary-Scan/JTAG (IEEE 1149.1 标准) 不再仅仅是一种测试技术，而是贯穿 AI 芯片载板从设计、验证到量产全生命周期的核心支柱。

作为一名专注于先进互连的系统架构师，我深知在密集的铜柱互连和微盲孔堆叠结构中，任何一个微小的缺陷都可能导致整个昂贵模块的失效。Boundary-Scan/JTAG 提供了一种优雅的、非侵入式的电气测试方法，能够精确验证 BGA、LGA 等高密度封装器件的焊接质量，确保 Chiplet 之间的互连畅通无阻。它已成为确保复杂 HDI PCB 和 IC 载板在严苛的 NPI EVT/DVT/PVT 阶段顺利通过验证的关键。Highleap PCB Factory (HILPCB) 等领先的制造商，正是通过深度整合 JTAG 测试与先进制造工艺，为客户提供高可靠性的一站式解决方案。

是什么让Boundary-Scan/JTAG成为AI Chiplet架构的基石？

现代 AI 加速器通常采用多晶片设计，将多个计算、内存和 I/O Chiplet 封装在同一块硅中介层（Interposer）或有机载板上。这些 Chiplet 之间的通信依赖于成千上万条高密度、短距离的互连走线。由于 BGA (球栅阵列) 和 LGA (平面网格阵列) 封装的引脚完全隐藏在芯片底部，传统的物理探针测试方法根本无法接触到这些焊点。

Boundary-Scan/JTAG 技术通过在每个芯片的 I/O 引脚内部集成一个微小的“测试单元”（Boundary Scan Cell）来解决这一难题。这些单元通过一个串行路径（即“扫描链”）连接起来，形成一个完整的测试总线。通过一个标准的测试访问端口（TAP），工程师可以：

控制引脚状态：将任意 I/O 引脚设置为高电平、低电平或高阻态。
捕获引脚状态：读取任意 I/O 引脚上的电平信号。

这种“虚拟探针”的能力，使得我们无需物理接触即可精确检测芯片之间、芯片与载板之间的每一个连接。对于复杂的 SMT assembly 流程而言，JTAG 是验证数千个 BGA 焊点是否正确焊接（无短路、开路或冷焊）的最有效手段，其重要性无可替代。

JTAG如何加速NPI EVT/DVT/PVT产品导入流程？

在新产品导入（NPI）的各个阶段，时间就是生命。Boundary-Scan/JTAG 在加速硬件调试和验证方面扮演着至关重要的角色，显著缩短了从原型到量产的周期。

EVT (工程验证测试) 阶段：在第一批原型板回厂时，JTAG 是最先被使用的调试工具。工程师可以通过 JTAG 互连测试，快速检查出因设计错误或早期制造缺陷导致的短路和开路问题，从而验证电路板的基本电气完整性。这避免了在不确定的硬件上进行耗时的上电和功能测试。
DVT (设计验证测试) 阶段：在此阶段，JTAG 的应用更为深入。它不仅用于互连测试，还用于在系统编程（ISP），例如对板上的 FPGA、CPLD 或闪存进行固件烧录。此外，JTAG 端口还可以访问芯片内部的调试模块，帮助软件工程师在底层硬件上进行调试，确保软硬件协同工作正常。
PVT (生产验证测试) 阶段：当设计进入量产，JTAG 测试脚本将被集成到自动化测试设备（ATE）中，成为生产线上的标准测试流程。它确保了每一块下线的板卡都经过了严格的结构性测试，为后续的功能测试打下坚实基础。可以说，一个稳健的 JTAG 测试策略是 NPI EVT/DVT/PVT 流程成功的关键保障。

🔗 Boundary-Scan/JTAG 集成与测试流程

从设计到大规模生产测试的四步闭环流程。

设计集成

在原理图中正确连接JTAG链，获取芯片BSDL文件。

测试向量生成

使用专业软件根据网表和BSDL文件生成测试程序。

NPI 硬件调试

在EVT/DVT阶段执行测试，快速定位硬件故障。

生产线集成

将JTAG测试集成到ATE设备，用于大规模生产测试。

JTAG能否检测到简单的短路和开路之外的缺陷？

答案是肯定的。虽然基础的互连测试是 Boundary-Scan/JTAG 最广为人知的应用，但其能力远不止于此。现代 JTAG 工具和技术已经扩展到更广泛的领域：

逻辑和功能交互：通过控制芯片引脚，可以模拟特定的逻辑状态，以测试外围电路（如上拉/下拉电阻、总线收发器）是否正常工作。
在系统编程 (ISP)：JTAG 是对板载非易失性存储器（如 Flash、EEPROM）和可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）进行编程和更新的最常用接口。
访问片上调试模块：许多复杂的 SoC（如 ARM 或 RISC-V 内核处理器）内部集成了强大的调试模块（如 ARM CoreSight）。JTAG 端口是访问这些模块的标准接口，允许开发人员设置断点、单步执行代码、查看寄存器和内存，进行深度的软件和固件调试。
硅后验证：在芯片设计阶段，JTAG 同样用于芯片内部逻辑的验证和调试，是确保芯片功能正确性的重要手段。

这些高级功能使 JTAG 从一个单纯的生产测试工具，演变为一个贯穿产品设计、开发、制造和维护全过程的强大平台。

Boundary-Scan如何与其他检测方法协同工作？

在现代电子制造中，没有任何一种测试技术是万能的。一个全面的质量保证体系需要将多种检测方法结合起来，形成互补的测试策略。Boundary-Scan/JTAG 在其中扮演着电气验证的核心角色，与物理检测方法紧密协作。

SPI (锡膏检测)：在 SMT assembly 流程的开端，SPI 用于检测印刷在 PCB 焊盘上的锡膏量、形状和位置是否正确。这是预防焊接缺陷的第一道防线。
AOI (自动光学检测)：在元器件贴装和回流焊之后，AOI 通过高分辨率相机检查元器件的位置、方向、极性是否正确，以及是否存在焊点桥连、锡珠等明显外观缺陷。
X-Ray (X射线检测)：对于 BGA、LGA 等底部引脚器件，AOI 无法看到其焊点。此时需要 SPI/AOI/X-Ray inspection 中的 X 射线技术来穿透芯片，检查焊球的形状、大小、是否存在空洞（voids）、短路或枕头效应（Head-in-Pillow）等隐藏缺陷。

然而，即使 SPI/AOI/X-Ray inspection 全部通过，也无法保证电气连接是 100% 可靠的。例如，一个微小的、X 射线无法分辨的裂缝（如黑盘效应 Black Pad 导致的开路）或者一个功能性故障，都无法被物理检测发现。这时，Boundary-Scan/JTAG 就能发挥其独特优势，通过电气测试最终确认每一个连接的导通性，为产品质量提供最终保障。HILPCB 的 SMT 组装服务正是将这些先进的检测技术与 JTAG 测试相结合，为客户提供最高质量的 PCBA 产品。

主流PCBA测试技术对比

技术类型	主要检测缺陷	物理可达性要求	优势
Boundary-Scan/JTAG	电气开路/短路、连接性故障、逻辑功能	仅需JTAG接口	无需物理探针，覆盖率高，可编程/调试
AOI (自动光学检测)	元件缺失/偏移/极性、外观焊点缺陷	元件可见	速度快，成本相对较低
AXI (自动X射线检测)	BGA/LGA焊点空洞、短路、枕头效应	无要求	唯一能检测隐藏焊点的技术
ICT (在线测试)	元件值(R/L/C)、模拟信号、数字逻辑	需要测试点/探针接触	测试覆盖范围广，诊断精确

在高密度载板上实施JTAG需要哪些设计规则(DFT)？

为了确保 Boundary-Scan/JTAG 能够可靠地工作，必须在设计阶段就遵循严格的可测试性设计（DFT）原则。对于承载 AI 芯片的 IC Substrate PCB 来说，这些规则尤为重要：

完整的扫描链：确保所有支持 JTAG 的器件都被串联在一个或多个扫描链中。链的完整性是测试的基础，任何断点都会导致整条链失效。
信号完整性：JTAG 的时钟信号（TCK）对信号质量非常敏感。在 PCB 布局时，TCK 走线应尽可能短，远离噪声源，并可能需要端接电阻来抑制反射。
清晰的 TAP 访问：测试访问端口（TAP）的引脚（TCK, TMS, TDI, TDO, TRST）应引出到易于连接的测试点或标准连接器上，方便调试和生产测试。
电平转换：当一条扫描链中包含不同 I/O 电压的芯片时，必须在它们之间使用合适的电平转换器，以确保信号能够可靠地传输。
正确的 BSDL 文件：每个支持 JTAG 的芯片都有一个对应的边界扫描描述语言（BSDL）文件，它描述了芯片的 JTAG 结构。设计和测试工程师必须从芯片供应商处获取并使用正确的 BSDL 文件，否则测试工具将无法识别芯片。

作为经验丰富的 PCB 制造商，HILPCB 的工程师团队会在设计审查阶段为客户提供专业的 DFM/DFT 建议，确保 JTAG 设计的稳健性，避免在后期产生昂贵的返工。

JTAG如何验证Low-void BGA Reflow工艺的有效性？

Low-void BGA reflow（低空洞率 BGA 回流焊）是高可靠性电子制造的核心工艺目标。BGA 焊点中的空洞会降低其机械强度和导热性，甚至可能在长期使用中导致失效。虽然 X 射线是检测空洞的主要手段，但 Boundary-Scan/JTAG 在此过程中扮演了最终的“法官”角色。

一个优化的 Low-void BGA reflow 工艺曲线（包括预热、浸润、峰值温度和冷却速率）旨在最大限度地排出助焊剂挥发产生的气体，从而减少空洞。工艺完成后，X 射线可以定量分析空洞率是否在规格范围内。然而，一些潜在的缺陷，如枕头效应（即焊球与焊膏未完全融合）或微小的裂纹，可能在 X 射线图像中难以辨别，但它们却会造成电气上的开路或不稳定连接。

JTAG 测试能够精确地捕捉到这些电气故障。如果在通过 X 射线检测的板子上，JTAG 仍然报告了大量的互连失败，这就强烈暗示了回流焊工艺存在系统性问题。通过分析 JTAG 报告的故障位置，工艺工程师可以反过来优化回流焊参数，从而实现真正高可靠的 Low-void BGA reflow。

HILPCB AI载板与互连制造能力

最高层数

56 Layers

最小线宽/线距

25/25 µm

最小机械钻孔

0.1 mm

最小激光钻孔

50 µm

阻抗控制精度

±5%

核心材料

ABF, BT, Megtron

JTAG在可追溯性与MES系统集成中扮演什么角色？

在智能化、自动化的现代工厂中，Traceability/MES（可追溯性/制造执行系统）是确保质量和进行过程控制的核心。系统需要记录每一块电路板在生产过程中的所有关键数据，从物料批次到工艺参数，再到测试结果。

Boundary-Scan/JTAG 测试结果是 Traceability/MES 系统中至关重要的数据来源。每一块板卡经过 JTAG 测试后，其唯一的序列号会与详细的测试日志相关联并上传到 MES 数据库。这些日志不仅包含简单的“通过/失败”结果，还可能包括：

失败的具体引脚和网络名称。
测试所花费的时间。
执行测试的设备和操作员信息。
测试时使用的软件和固件版本。

当出现质量问题时，这些数据就成了金矿。例如，如果 MES 系统分析发现，某一批次的板卡在同一个网络上出现异常高的 JTAG 失败率，工程师就可以迅速追溯到可能的原因——是某个批次的元件有问题？还是某台贴片机的参数发生了漂移？这种基于数据的根本原因分析能力，对于持续改进制造流程、提高产品直通率至关重要。没有 JTAG 提供的精确电气故障数据，Traceability/MES 系统的价值将大打折扣。

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结论

在 AI 芯片互连和载板 PCB 的复杂世界里，Boundary-Scan/JTAG 已经从一种单纯的测试方法，演变为支撑整个产品生命周期的关键技术平台。它解决了高密度封装带来的物理测试难题，加速了从 NPI EVT/DVT/PVT 到量产的进程，并与 SPI/AOI/X-Ray inspection 等检测手段协同，为复杂的 SMT assembly 提供了全面的质量保障。此外，通过与 Traceability/MES 系统的深度集成，JTAG 为智能制造提供了宝贵的电气测试数据。

成功驾驭 AI 硬件的挑战，不仅需要先进的设计，更需要一个深刻理解 DFT、先进制造工艺和综合测试策略的合作伙伴。HILPCB 凭借其在 IC 载板和高密度互连领域的深厚积累，以及从 PCB 制造到 Turnkey Assembly 的一站式服务能力，致力于帮助客户将复杂的 AI 设计转化为高可靠性的产品。我们相信，通过紧密合作，我们可以共同应对挑战，利用 Boundary-Scan/JTAG 等核心技术，确保您的下一代 AI 产品取得成功。