Η αξιοπιστία του bump αμφισβητείται από λανθάνοντα ελαττώματα

Η θερμική καταπόνηση είναι ένα πολύ γνωστό πρόβλημα στις προηγμένες συσκευασίες, μαζί με τις προκλήσεις της μηχανικής καταπόνησης. Και τα δύο επιδεινώνονται από την ετερογενή ολοκλήρωση, η οποία συχνά απαιτεί ανάμειξη υλικών με ασυμβίβαστους συντελεστές θερμικής διαστολής (CTE).

Τα αποτελέσματα εμφανίζονται ήδη και πιθανότατα θα επιδεινωθούν καθώς οι πυκνότητες των πακέτων αυξάνονται πέρα ​​από τα 1,000 bump ανά τσιπ.

«Συνδυάζεις μέταλλα που έχουν σχετικά υψηλό CTE, μετά έχεις πολυμερή που έχουν ακόμη μεγαλύτερη ακαμψία CTE και μετά έχεις διηλεκτρικά που έχουν εξαιρετικά χαμηλό CTE. Μόλις συνδυάσετε τα πάντα, το άγχος είναι αναπόφευκτο», δήλωσε ο Mario Gonzalez, επιστημονικός διευθυντής και διευθυντής Έρευνας και Ανάπτυξης για μηχανική και θερμική μοντελοποίηση και χαρακτηρισμό στο imec.

Αυτή η πίεση συχνά οδηγεί σε σημαντική παραμόρφωση ή κλίση του καλουπιού, που με τη σειρά του οδηγεί σε συνθήκες που μειώνουν την αξιοπιστία. «Έχετε να κάνετε με διαφορετικές τεχνολογίες υποστρώματος με πλήθος πολλαπλών στρωμάτων», δήλωσε ο Chip Greely, αντιπρόεδρος μηχανικής στο Promex Industries. «Διαφορετικά πάχη πυρήνα σε υποστρώματα, ειδικότερα, αρχίζουν να δημιουργούν πολλά κλασικά μηχανικά προβλήματα, συμπεριλαμβανομένης της παραμόρφωσης, η οποία έχει γίνει ένα σημείο πόνου για ορισμένους από τους μεγαλύτερους παίκτες. Ζητάμε από πολλούς από τους πελάτες μας που διαθέτουν μια μονάδα πολλαπλών τσιπ ετερογενούς ενοποίησης συστήματος σε πακέτο, να παράσχουν τα δεδομένα σκιώδους μουαρέ των υποστρωμάτων τους, έτσι ώστε να μπορούμε να δούμε τον τρόπο με τον οποίο η στρέβλωση του αλλάζει στη θερμοκρασία επαναροής και ιδανικά να το βρούμε σημείο προβληματισμού.»

Αυτό το στέλεχος έχει διάφορες αρνητικές επιπτώσεις, που βιώνονται σε πολλές κλίμακες διαστάσεων, σύμφωνα με τον Gilad Barak, αντιπρόεδρο προηγμένων νέων τεχνολογιών στο Nova. «Συχνά, η κάμψη και η συστροφή των χαρακτηριστικών σε επίπεδο νανοδομής προκύπτει από την ενσωματωμένη τάση που έχει δημιουργηθεί, όπως βρίσκεται σε ορισμένα λογικά νανοφύλλα DRAM και μπροστινής πλευράς», είπε. «Ένα άλλο παράδειγμα σχετίζεται με περιοχές κλίμακας micron όπου η επαγόμενη καταπόνηση εμποδίζει την κατασκευή δομών ημιαγωγών υψηλών προδιαγραφών, όπως είναι χαρακτηριστικό στις «ζώνες διατήρησης» γύρω από τις διόδους διέλευσης πυριτίου (TSV). Τέλος, οι μεγάλης κλίμακας επιπτώσεις της επαγόμενης καταπόνησης μπορούν να προκαλέσουν τόξο της γκοφρέτας, περιπλέκοντας σημαντικά τον χειρισμό και την κατασκευή της γκοφρέτας, η οποία κινδυνεύει να σπάσει την ίδια τη γκοφρέτα. Το τόξο της γκοφρέτας παρατηρείται ιδιαίτερα κατά την εναπόθεση παχιών διηλεκτρικών στρωμάτων, όπως συμβαίνει συνήθως κατά την κατασκευή συσκευών 3D NAND.

Τα καλά νέα είναι ότι ο κλάδος γνωρίζει πολύ καλά αυτά και τα σχετικά προβλήματα. Τα κακά νέα είναι ότι εξακολουθεί να μην υπάρχουν λύσεις, αν και υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις που διερευνώνται επί του παρόντος.

«Υπάρχουν διάφορες μεθοδολογίες για τη μείωση της στρέβλωσης, αλλά καμία από αυτές δεν είναι απόλυτα επιτυχημένη και πάντα συνοδεύονται από συμβιβασμούς», δήλωσε ο Frank Chen, διευθυντής εφαρμογών και διαχείρισης προϊόντων στο Bruker Nano Surfaces & Metrology. «Τα προβλήματα δεν απομονώνονται σε μια στενή επιλογή εφαρμογών. Κάθε φορά που συνδέετε μια μήτρα σε άλλο υπόστρωμα, θα έχετε αυτά τα προβλήματα.»

Όλα αυτά σημαίνουν ότι η επιθεώρηση και η μετρολογία πρέπει να συνεχίσουν να διαδραματίζουν κρίσιμους ρόλους. Άλλα προβλήματα, όπως τα hot spots, μπορούν επίσης να επιδεινωθούν όταν πολλαπλές μάρκες συνδυάζονται σε ετερογενείς συσκευασίες.

«Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, διάφορα τσιπ θα θερμαίνονται σε διαφορετικούς χρόνους και διαφορετικές θερμοκρασίες, δημιουργώντας πιθανά hot spots που πρέπει να ψύχονται σωστά, δήλωσε ο Andrei Berar, ανώτερος διευθυντής για την ανάπτυξη επιχειρήσεων δοκιμής στο Αμκόρ. "Εκτός από τη δημιουργία συγκεκριμένων θερμικών ενεργών ελεγκτών - που ταιριάζουν με την περιοχή διαφορετικών τσιπ - υπάρχουν σημαντικές προσπάθειες για την ανάπτυξη προσαρμοστικών θερμικών ελεγκτών που μπορούν να "προβλέψουν" τα hot spot με βάση τα διανύσματα που παρέχονται από το πρόγραμμα δοκιμής."

Τέτοιοι συνδυασμοί οδηγούν επίσης στην αυξανόμενη χρήση της υβριδικής μετρολογίας – συνδυάζοντας διαφορετικές τεχνικές για να φτάσουμε στη ρίζα των προβλημάτων πιο γρήγορα.

Σχεδιασμός, επιθεώρηση, λύσεις δοκιμής
Πράγματι, η κλασική αλληλεπίδραση μεταξύ σχεδίασης, επιθεώρησης και θερμομηχανικής καταπόνησης έχει γίνει πιο πολύπλοκη με χιλιάδες όλο και μικρότερες και πιο εύθραυστες συνδέσεις.

Ένα αποτέλεσμα είναι μια ανανεωμένη έμφαση στη μετατόπιση προς τα αριστερά, για να ελπίζουμε ότι «σχεδιάζουμε» τα προβλήματα CTE και τα επακόλουθα κλιμακωτά αποτελέσματα που μπορεί να οδηγήσουν σε υπερθέρμανση και μηχανική καταπόνηση. Και για να αυξηθούν οι πιθανότητες πρόληψης, καθώς και η εύρεση κρίσιμων ελαττωμάτων, απαιτούνται και οι δύο προσομοίωση και επιθεώρηση, σύμφωνα με τον Andras Vass-Varnai, στέλεχος ανάπτυξης χαρτοφυλακίου με το τμήμα της Βιομηχανίας Ηλεκτρονικών και Ημιαγωγών του Λογισμικό Siemens Digital Industries.

«Η θερμική και δομική συν-προσομοίωση χρησιμοποιώντας υπολογιστική δυναμική ροής (CFD), μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων (FEA) κ.λπ., στο αρχικό στάδιο σχεδιασμού του πακέτου βοηθά στην κατανόηση της αναμενόμενης απόδοσης της συναρμολόγησης και επιτρέπει επίσης μια καλή βάση για « Βελτιστοποίηση με γνώμονα την τεχνητή νοημοσύνη καθώς πολλές από τις σχεδιαστικές επιλογές μπορούν να παραμετροποιηθούν», εξήγησε ο Vass-Varnai. «Μόλις κατασκευαστεί το πρώτο πρωτότυπο, η δοκιμή θερμικής μεταβατικής περιόδου μπορεί να βοηθήσει στη χαρτογράφηση της θερμικής απόδοσης του εξαρτήματος. Εάν υπάρχει αναντιστοιχία μεταξύ της αναμενόμενης και της πραγματικής θερμικής συμπεριφοράς, τα δεδομένα δοκιμής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη «βαθμονόμηση» των ιδιοτήτων υλικού του ψηφιακού δίδυμου πακέτου και την ενημέρωση των βιβλιοθηκών υλικών για μεγαλύτερη αρχική ακρίβεια των επερχόμενων σχεδίων.

Η εύρεση του καλύτερου τρόπου δοκιμής bump συστοιχιών και σχεδιασμού για δοκιμή είναι μια αυξανόμενη πρόκληση. «Τι γίνεται αν υπάρχει ένα σήμα που ανεβαίνει και κατεβαίνει;» ρώτησε ο Rob Aitken, α Synopsys σύντροφος. «Αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα δοκιμής, γιατί τώρα έχετε ένα σήμα που δεν πηγαίνει πουθενά και ένα άλλο σήμα που έρχεται από το πουθενά, και πρέπει να καταλάβετε πώς θα δοκιμάσετε αυτά τα πράγματα. Τους ερευνάς; Αλλά σε αυτήν την περίπτωση υπάρχουν φυσικές διαστάσεις που πρέπει να διατηρήσετε και, στη συνέχεια, διατρέχετε τον κίνδυνο μηχανικής βλάβης. Ή βρίσκετε κάποιο είδος δομής που μοιάζει με JTAG; Αλλά αυτό στη συνέχεια μειώνει την αποτελεσματικότητα αυτών των συνδετικών σημείων. Βρισκόμαστε στην τεράστια φάση πειραματισμού όπου όλοι λένε, "Ίσως αυτό θα λειτουργήσει, ίσως αυτό θα λειτουργήσει". Αυτή τη στιγμή, δεν θα ήθελα απαραίτητα να στοιχηματίσω στο τι είναι «αυτό»».

Υπάρχουν τόσο έμμεσες όσο και άμεσες επιλογές δοκιμής για τη διερεύνηση ελαττωμάτων, σύμφωνα με το JCET. Για παράδειγμα, η CSAM (Computed Scanning Acoustic Tomography) και η 3D ακτινογραφία είναι έμμεσα, ενώ η μηχανική ανάλυση διατομής είναι ένα εργαλείο για άμεση απόδειξη. Η JCET διαθέτει προηγμένο εξοπλισμό θερμικού χαρακτηρισμού για τον χαρακτηρισμό των προβλημάτων υλικού/κατασκευής που προκύπτουν επίσης από μηχανικά ελαττώματα.

Η οπτική επιθεώρηση είναι, όπως πάντα, η ταχύτερη προσέγγιση για ενσωματωμένη επιθεώρηση, αλλά η βέλτιστη πρακτική είναι μια υβριδική προσέγγιση. «Η καλύτερη μέθοδος για την ανίχνευση σορτς/ανοιγμάτων και οριακών ελαττωμάτων θα ήταν η SPI (επιθεώρηση πάστας συγκόλλησης) για την εκ νέου ροή AOI (αυτοματοποιημένη οπτική επιθεώρηση) έως την εκ νέου ροή AOI σε ενσωματωμένη ακτινογραφία», συμβουλεύει ο Timothy Skunes, αντιπρόεδρος έρευνας. και ανάπτυξη στο Nordson Test & Inspection's CyberOptics χαρτοφυλάκιο.

Επιπλέον, άλλοι τρόποι μπορεί να είναι χρήσιμοι, ειδικά σε προχωρημένους κόμβους. Για παράδειγμα, μια πρόσφατη προσέγγιση για τον χαρακτηρισμό της παραμόρφωσης σε συσκευές ημιαγωγών είναι η Φασματοσκοπία Raman (RS). "Το RS είναι εξαιρετικά εφαρμόσιμο για μετρήσεις επί της κατασκευής, προσφέροντας γρήγορες μετρήσεις της τάξης των δευτερολέπτων και μικρά μεγέθη κηλίδων λίγων μικρών για να επιτρέπουν λεπτομερείς μετρήσεις", δήλωσε ο Barak της Nova. «Η δυσκολία της άμεσης μέτρησης της καταπόνησης στις δομές πριν από την εισαγωγή της φασματοσκοπίας Raman ως εν σειρά μετρολογικών εργαλείων στο fab οδήγησε σε δοκιμές σε πολύ μεταγενέστερα στάδια της διαδικασίας κατασκευής».

Τελικά, για ενδελεχή έλεγχο, δεν υπάρχουν γωνίες κοπής. Οι υπολογισμοί του προϋπολογισμού ενδέχεται να απαιτούν συγκριτικές μετρήσεις, όπως το αρχικό κόστος ενός νέου μέσου έναντι του συνεχούς κόστους των υπερβολικών RMA. Και υπάρχει ένα ακόμη πράγμα που πρέπει να εξετάσετε — πώς να βεβαιωθείτε ότι μπορείτε να εμπιστευτείτε τα δεδομένα σας.

«Πρόκειται να πετάξετε αυτό που ήταν πιθανότατα καλό υλικό για να διασφαλίσετε ότι δεν θα έχετε πρόβλημα με αυτό που δίνετε στον τελικό χρήστη; Ποιος θα επωμιστεί το κόστος αυτού;» προειδοποίησε ο Mike McIntyre, διευθυντής διαχείρισης προϊόντων λογισμικού στο Onto Καινοτομία, ο οποίος συνιστά μια στατιστική βάση δεδομένων για ακριβή συγκριτική αξιολόγηση όταν γίνεται αυτοματοποιημένη ταξινόμηση ελαττωμάτων.

Warpage
Ένα από τα χειρότερα αποτελέσματα του στρες είναι η στρέβλωση. Μπορεί να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η στρέβλωση μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστεί, αλλά το αποτέλεσμα δεν είναι πάντα τόσο προφανές όσο φαίνεται. Η στρέβλωση προκαλεί μικρές διαφορές στην ομοεπίπεδο μεταξύ τσιπ και υποστρώματος, προκαλώντας ανεπαρκή σύνδεση ορισμένων μικροχτυπωμάτων με τα μαξιλαράκια από κάτω, μια αστοχία που ονομάζεται μη υγρή.

"Σκεφτείτε έναν προηγμένο επεξεργαστή που είναι 50 έως 60 mm, για παράδειγμα", είπε ο Chen. «Λόγω του μεγάλου του μεγέθους, είναι δύσκολο να το επεξεργαστείτε χωρίς στρέβλωση. Ωστόσο, εάν το εργαλείο προσάρτησης μήτρας είναι συντονισμένο στο κέντρο του παραθύρου διεργασίας του, μπορεί να περάσει την επιθεώρηση και να κατασκευαστεί με υψηλές αποδόσεις. Το θέμα είναι ότι η ανοχή μπορεί να είναι πολύ περιορισμένη. Από τη στιγμή που έχετε λίγη κλίση μήτρας στην κορυφή της στρέβλωσης, έχετε προβλήματα που δεν είναι υγρά.»

Ακόμα χειρότερα, αν αυτό συμβαίνει σε θέσεις πρόσκρουσης στην περιοχή των 50 μm ( ̴35 μm μέγεθος ανωμαλίας), φανταστείτε τα προβλήματα καθώς οι διαστάσεις των ανωμαλιών συρρικνώνονται περαιτέρω. Είναι ήδη μια ανησυχία για την αυτοκινητοβιομηχανία, καθώς κινείται προς την επόμενη γενιά της το 2023 έως το 2024. Η κρίσιμη μετάβαση θα είναι γύρω από τον κόμβο των 28 nm, είπε ο Chen.

Εικ. 1 Τα εργαλεία προσάρτησης μήτρας έχουν ένα πολύ στενό παράθυρο διαδικασίας για κλίση της μήτρας όταν υπάρχει στρέβλωση. Πηγή: Bruker

Μη βρεγμένο
Το "Non-wets" είναι ένας ευρύς όρος που καλύπτει πολλά προβλήματα που μπορεί να προκύψουν με εξογκώματα συγκόλλησης, τα περισσότερα από τα οποία είναι απογοητευτικά λεπτές. Επειδή η συγκόλληση είναι συχνά σε υγρή κατάσταση, η διαδικασία εφαρμογής της έχει ονομαστεί "διαβροχή". Οι αδύναμοι σύνδεσμοι ονομάζονται "non-wets", οι οποίοι γίνονται όλο και μεγαλύτερη πρόκληση σε μικρότερους κόμβους με λεπτότερες συνδέσεις.

Το non-wets συχνά ξεφεύγει από τυπικές διαδικασίες διαλογής, για να εμφανιστεί αργότερα ως επιστρεφόμενα τσιπ (RMAs). Οι βαθύτερες αιτίες μπορεί να είναι θερμικές, μηχανικές ή συνδυασμός, όπως η θερμική ανακύκλωση σε ένα αυτοκίνητο που κινείται επίσης σε ανώμαλο έδαφος. Το σωρευτικό αποτέλεσμα μπορεί να παρέχει αρκετή θερμική-μηχανική καταπόνηση για να σπάσει η επαφή.

Υπάρχουν επιπλέον ψευδώνυμα που περιγράφουν συγκεκριμένους τύπους προβλημάτων. Αντί για το λείο, κολονοειδές σχήμα μιας καλής σύνδεσης, σε ένα ελάττωμα «κεφάλι-σε-μαξιλάρι», η μία μπάλα φαίνεται να βυθίζεται στην άλλη, σαν ένα κεφάλι σε ένα μαξιλάρι.

"Εξακολουθεί να έρχεται σε επαφή, οπότε η ηλεκτρική δοκιμή μπορεί να είναι καλή, αλλά μπορείτε να δείτε ότι είναι πολύ εύθραυστο", είπε ο Chen, δείχνοντας την ακτινογραφία ενός μαξιλαριού με κεφάλι. «Μόλις έχετε κάποια θερμική ή μηχανική καταπόνηση, μπορεί να σπάσει εντελώς. Ακόμα κι αν είναι μια επαφή μη υγρή, η λεπτή σύνδεση οδηγεί σε υψηλή αντίσταση, μη βέλτιστη απόδοση και πιθανότατα δεν θα διαρκέσει πολύ. Ένα ανοιχτό μη υγρό δεν θα λειτουργήσει καθόλου. Σε ένα τυπικό σενάριο με κλίση μήτρας, υπάρχει μια ορατή μετάβαση από καλοσχηματισμένα εξογκώματα σε μη βρεγμένα».

Το κρίσιμο ζήτημα είναι τα λανθάνοντα ελαττώματα — συνδέσεις που είναι αρκετά λειτουργικές για να περάσουν την ηλεκτρική δοκιμή αλλά αποτυγχάνουν στο πεδίο.

Εικ. 2 Η σταδιακή μετάβαση σχηματίζει καλές προσκρούσεις σε μη βρεγμένα με την παρουσία κλίσης της μήτρας. Πηγή: Bruker

«Είναι ένα μεγάλο ζήτημα αυτή τη στιγμή με πολλούς τύπους συσκευών λόγω των επιπτώσεων της θερμικής καταπόνησης», είπε ο Chen. «Ένας πελάτης είχε προϊόν που πέρασε από έλεγχο ηλεκτρονικής δοκιμής και απεστάλη. Δυστυχώς, είχαν πολλά RMA λόγω μη υγρών αστοχιών που αναπτύχθηκαν στη συνέχεια».

Ορισμένες εταιρείες αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα μέσω επώδυνων κουραστικών χειρωνακτικών επιθεωρήσεων. Δυστυχώς, οποιαδήποτε ανθρώπινη εξέταση υπόκειται σε κόπωση του χειριστή, ειδικά όταν οι εξεταστές προσπαθούν να εντοπίσουν ανεπαίσθητα σφάλματα κατά τη διάρκεια μιας βάρδιας πολλών ωρών.

Από τη θετική πλευρά, υπάρχουν πλέον αυτοματοποιημένες προσεγγίσεις για την επιθεώρηση, όπως εργαλεία ακτίνων Χ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν inline. «Υπάρχει μεγάλη ώθηση προς την υψηλής ταχύτητας, πλήρως αυτοματοποιημένη επιθεώρηση για την επίτευξη <100dppb, ειδικά για την αυτοκινητοβιομηχανία», δήλωσε ο Chen.

Γίνεται πιο περίπλοκο από εκεί. «Ειδικά, η συγκόλληση, ο ένοχος πίσω από πολλά μη βρεγμένα, υπόκειται επίσης σε ηλεκτρομετανάστευση», δήλωσε ο Tom Marinis, κύριο μέλος του Τεχνικού Προσωπικού του Εργαστηρίου στο Draper. "Εάν η πυκνότητα ρεύματος σε μια σύνδεση μεταξύ ενός τσιπ και υποστρώματος είναι πολύ υψηλή για μια συγκεκριμένη συγκόλληση για μια χρονική περίοδο, επειδή η θερμοκρασία τήξης της συγκόλλησης μπορεί να είναι σχετικά χαμηλή σε σύγκριση με τη θερμοκρασία λειτουργίας της συσκευής, μπορείτε να λάβετε μετεγκατάσταση των ατόμων και στην πραγματικότητα σχηματίζουν κενά και τελικά ανοίγουν μια σύνδεση».

Ο Marinis προειδοποίησε ότι τα εμπορικά εργαλεία μοντελοποίησης σε επίπεδο συσκευής-PCB δεν είναι αρκετά ώριμα ώστε να ειδοποιούν συνεχώς για πιθανά προβλήματα ηλεκτρομετανάστευσης, επομένως είναι σημαντικό να εξακολουθείτε να εκτελείτε ένα τεστ ταχείας γήρανσης.

Συμπέρασμα
Τελικά, ο εντοπισμός ζητημάτων αξιοπιστίας από λανθάνοντα ελαττώματα θα απαιτήσει υψηλότερη μετρολογία δειγματοληψίας που είναι ευαίσθητη στη μετατόπιση, την περιστροφή, το ύψος, την κλίση και άλλες παραμέτρους. Θα απαιτήσει επίσης μεγαλύτερη εξάρτηση από μοντελοποίηση πολλαπλών φυσικών για την προσπάθεια πρόβλεψης και επίλυσης πιθανών προβλημάτων πριν από την παραγωγή. Και καθώς η βιομηχανία ημιαγωγών και η αυτοκινητοβιομηχανία συνεχίζουν να αναμιγνύονται, διακυβεύονται πολύ περισσότερα από απλά RMA.

«Το κόστος της αποτυχίας αυξάνεται εκθετικά καθώς τα λανθάνοντα ελαττώματα περνούν από συσκευές σε μονάδες σε αυτοκίνητα που θα μπορούσαν να θέσουν σε κίνδυνο τις ζωές ανθρώπων», είπε ο Τσεν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κατασκευαστές τσιπ δημιουργούν ολιστικές λύσεις που συνδυάζουν το σχεδιασμό, την επιθεώρηση και τις δοκιμές για να εντοπίζουν καλύτερα τα λανθάνοντα σφάλματα.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://semiengineering.com/bump-reliability-is-challenged-by-latent-defects/