बम्प विश्वसनीयता को अव्यक्त दोषों द्वारा चुनौती दी जाती है

मैकेनिकल तनाव की चुनौतियों के साथ-साथ उन्नत पैकेजिंग में थर्मल तनाव एक प्रसिद्ध समस्या है। दोनों को विषम एकीकरण द्वारा बढ़ा दिया जाता है, जिसके लिए अक्सर थर्मल विस्तार (सीटीई) के असंगत गुणांक वाले सामग्रियों की आवश्यकता होती है।

प्रभाव पहले से ही दिखाई दे रहे हैं और संभाव्यता केवल बदतर हो जाएगी क्योंकि पैकेज घनत्व 1,000 बंप प्रति चिप से अधिक बढ़ जाता है।

"आप उन धातुओं को मिलाते हैं जिनमें अपेक्षाकृत उच्च CTE होता है, फिर आपके पास ऐसे पॉलिमर होते हैं जिनमें CTE की कठोरता भी अधिक होती है, और फिर आपके पास अचालक होते हैं जिनमें CTE बहुत कम होता है। एक बार जब आप सब कुछ एक साथ रख देते हैं, तो तनाव अपरिहार्य हो जाता है, ”मारियो गोंजालेज, वैज्ञानिक निदेशक और आईमेक में यांत्रिक और थर्मल मॉडलिंग और लक्षण वर्णन के लिए अनुसंधान एवं विकास प्रबंधक ने कहा।

इस तरह के तनाव के परिणामस्वरूप अक्सर महत्वपूर्ण वारपेज या डाई टिल्ट होता है, जो बदले में विश्वसनीयता को कम करने वाली स्थितियों की ओर ले जाता है। इंजीनियरिंग के उपाध्यक्ष चिप ग्रीली ने कहा, "आप कई लेयर काउंट के साथ विभिन्न सब्सट्रेट तकनीकों के साथ काम कर रहे हैं।" प्रोमेक्स इंडस्ट्रीज. "सबस्ट्रेट्स में अलग-अलग कोर मोटाई, विशेष रूप से, बहुत सारी क्लासिक यांत्रिक समस्याएं पैदा करना शुरू कर देती हैं, जिसमें वॉरपेज भी शामिल है, जो कुछ बड़े खिलाड़ियों के लिए एक दर्द बिंदु बन गया है। हम अपने कई ग्राहकों से पूछ रहे हैं जिनके पास सिस्टम-इन-पैकेज, विषम एकीकरण मल्टी-चिप मॉड्यूल है, ताकि वे अपने सबस्ट्रेट्स के शैडो मोइरे डेटा प्रदान कर सकें ताकि हम देख सकें कि रिफ्लो तापमान पर इसका वॉरपेज कैसे बदलता है और आदर्श रूप से इसका पता लगा सकते हैं। प्रतिबिंब बिंदु।

उन्नत नई तकनीकों के उपाध्यक्ष गिलाद बराक के अनुसार, इस तनाव के विभिन्न नकारात्मक प्रभाव हैं, जो कई आयामी पैमानों पर अनुभव किए जाते हैं। नवतारा. "अक्सर, नैनोसंरचना स्तर पर सुविधाओं का झुकना और मुड़ना अंतर्निहित तनाव से उत्पन्न होता है, जैसा कि कुछ DRAM और फ्रंट-एंड लॉजिक नैनोशीट्स में पाया जाता है," उन्होंने कहा। "एक और उदाहरण माइक्रोन-स्केल क्षेत्रों से संबंधित है जहां प्रेरित तनाव उच्च अंत अर्धचालक संरचनाओं के निर्माण को रोकता है, जैसा कि 'कीप-आउट जोन' में सिलिकॉन वियास (टीएसवी) के आसपास विशिष्ट है। अंत में, प्रेरित तनाव के बड़े पैमाने पर प्रभाव वेफर झुकने का कारण बन सकते हैं, वेफर हैंडलिंग और फैब्रिकेशन को काफी जटिल बना सकते हैं, जो वेफर को स्वयं फ्रैक्चर करने का जोखिम उठाते हैं। वेफर झुकना विशेष रूप से मोटी ढांकता हुआ परतों के जमाव के दौरान देखा जाता है, जैसा कि 3डी नंद उपकरणों के निर्माण के दौरान आम है।

अच्छी खबर यह है कि उद्योग इनसे और संबंधित समस्याओं के बारे में बहुत जागरूक है। बुरी खबर यह है कि इसके पास अभी भी समाधानों की कमी है, हालांकि वर्तमान में कई दृष्टिकोण तलाशे जा रहे हैं।

"वारपेज को कम करने के लिए कई तरीके हैं, लेकिन उनमें से कोई भी पूरी तरह से सफल नहीं है, और वे हमेशा ट्रेडऑफ़ के साथ आते हैं," फ्रैंक चेन, एप्लिकेशन और उत्पाद प्रबंधन के निदेशक ने कहा ब्रूकर नैनो सरफेस एंड मेट्रोलॉजी. "समस्याएं अनुप्रयोगों के एक संकीर्ण चयन के लिए अलग नहीं हैं। जब भी आप किसी डाई को किसी अन्य सबस्ट्रेट से जोड़ते हैं, तो आपको ये समस्याएं होंगी।"

इन सबका मतलब है कि निरीक्षण और मेट्रोलॉजी को महत्वपूर्ण भूमिका निभाते रहना चाहिए। अन्य समस्याएँ, जैसे हॉट स्पॉट, भी तब बढ़ सकती हैं जब कई चिप्स को विषम पैकेज में जोड़ा जाता है।

“During test, various chips will heat up at different times and different temperatures, creating possible hot spots that must be properly cooled, said Andrei Berar, senior director for Test Business Development at आमकोर. "विशिष्ट थर्मल सक्रिय नियंत्रक बनाने के अलावा - विभिन्न चिप्स के क्षेत्र से मेल खाते - अनुकूली थर्मल नियंत्रकों को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण प्रयास हैं जो परीक्षण कार्यक्रम द्वारा प्रदान किए गए वैक्टरों के आधार पर हॉट स्पॉट्स को 'प्रत्याशित' कर सकते हैं।"

इस तरह के संयोजन भी हाइब्रिड मेट्रोलॉजी के बढ़ते उपयोग के लिए अग्रणी हैं - समस्याओं की जड़ तक पहुंचने के लिए विभिन्न तकनीकों को सबसे तेजी से जोड़ना।

डिजाइन, निरीक्षण, परीक्षण समाधान
दरअसल, डिजाइन, निरीक्षण और थर्मो-मैकेनिकल तनाव के बीच क्लासिक इंटरप्ले केवल हजारों-छोटे और अधिक नाजुक कनेक्शनों के साथ और अधिक जटिल हो गया है।

एक परिणाम सीटीई मुद्दों और परिणामी कैस्केडिंग प्रभावों को उम्मीद से "डिजाइन आउट" करने के लिए बाएं शिफ्टिंग पर नए सिरे से जोर है, जिससे ओवरहीटिंग और यांत्रिक तनाव हो सकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स और सेमीकंडक्टर उद्योग खंड के पोर्टफोलियो डेवलपमेंट एक्जीक्यूटिव, एंड्रास वास-वरनाई के अनुसार, रोकथाम की संभावनाओं को बढ़ाने के साथ-साथ महत्वपूर्ण दोषों, अनुकरण और निरीक्षण दोनों की आवश्यकता है। सीमेंस डिजिटल इंडस्ट्रीज सॉफ्टवेयर.

"कंप्यूटेशनल फ्लो डायनेमिक्स (CFD), परिमित तत्व मॉडलिंग (FEA), आदि का उपयोग करके थर्मल और स्ट्रक्चरल को-सिमुलेशन, पैकेज के शुरुआती डिजाइन चरण में असेंबली के अपेक्षित प्रदर्शन को समझने में मदद करता है और 'के लिए एक अच्छा आधार भी देता है। एआई संचालित 'ऑप्टिमाइज़ेशन के रूप में कई डिज़ाइन विकल्पों को मानकीकृत किया जा सकता है," वास-वरनाई ने समझाया। "एक बार पहला प्रोटोटाइप बनने के बाद, थर्मल क्षणिक परीक्षण घटक के थर्मल प्रदर्शन को मैप करने में मदद कर सकता है। यदि अपेक्षित और वास्तविक तापीय व्यवहार के बीच कोई मेल नहीं है, तो परीक्षण डेटा का उपयोग पैकेज डिजिटल ट्विन के भौतिक गुणों को 'कैलिब्रेट' करने और आगामी डिजाइनों की उच्च प्रारंभिक सटीकता के लिए सामग्री पुस्तकालयों को अद्यतन करने के लिए किया जा सकता है।

बम्प एरेज़ का परीक्षण करने और परीक्षण के लिए डिज़ाइन करने का सबसे अच्छा तरीका खोजना एक बढ़ती हुई चुनौती है। "क्या होगा अगर वहाँ एक संकेत है जो ऊपर और नीचे जाता है?" रोब ऐटकेन से पूछा, ए Synopsys साथी। "यह एक परीक्षण समस्या पैदा करता है, क्योंकि अब आपको एक संकेत मिला है जो कहीं नहीं जाता है और दूसरा संकेत जो कहीं से नहीं आता है, और आपको यह पता लगाना होगा कि आप उन चीजों का परीक्षण कैसे करने जा रहे हैं। क्या आप उनकी जांच करते हैं? लेकिन उस मामले में आपको भौतिक आयामों को बनाए रखना होगा, और फिर आप यांत्रिक क्षति के जोखिम को चलाते हैं। या क्या आपको किसी प्रकार की JTAG जैसी संरचना मिलती है? लेकिन इससे इन संयोजक बिंदुओं की दक्षता कम हो जाती है। हम विशाल प्रयोग चरण में हैं जहां हर कोई कहता है, 'हो सकता है कि यह काम करे, हो सकता है कि वह काम करे।' अभी, मैं जरूरी नहीं कि 'वह' क्या है, इस पर शर्त लगाना चाहता हूं।

जेसीईटी के अनुसार, दोष जांच के लिए अप्रत्यक्ष और प्रत्यक्ष दोनों परीक्षण विकल्प हैं। उदाहरण के लिए, सीएसएएम (कंप्यूटेड स्कैनिंग ध्वनिक टोमोग्राफी) और 3डी एक्स-रे अप्रत्यक्ष हैं, जबकि मैकेनिकल क्रॉस-सेक्शनल विश्लेषण प्रत्यक्ष प्रमाण के लिए एक उपकरण है। जेसीईटी में यांत्रिक दोषों के परिणामस्वरूप सामग्री/संरचना के मुद्दों को चिह्नित करने के लिए उन्नत थर्मल लक्षण वर्णन उपकरण भी हैं।

ऑप्टिकल निरीक्षण, हमेशा की तरह, इनलाइन निरीक्षण के लिए सबसे तेज़ तरीका है, लेकिन सबसे अच्छा तरीका हाइब्रिड तरीका है। अनुसंधान के उपाध्यक्ष टिमोथी स्क्यून्स ने सलाह दी, "शॉर्ट्स/ओपन्स और सीमांत दोषों का पता लगाने के लिए सबसे अच्छा तरीका एसपीआई (सोल्डर पेस्ट इंस्पेक्शन) होगा, जो एओआई को प्री-रिफ्लो एओआई (ऑटोमेटेड ऑप्टिकल इंस्पेक्शन) से लेकर इनलाइन एक्स-रे तक एओआई को पोस्ट-रिफ्लो करेगा।" और नॉर्डसन टेस्ट एंड इंस्पेक्शन में विकास साइबरऑप्टिक्स पोर्टफोलियो।

इसके अलावा, अन्य तौर-तरीके उपयोगी हो सकते हैं, विशेष रूप से उन्नत नोड्स पर। उदाहरण के लिए, सेमीकंडक्टर उपकरणों में तनाव की विशेषता के लिए एक हालिया दृष्टिकोण रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (आरएस) है। नोवा के बराक ने कहा, "आरएस ऑन-स्ट्रक्चर मापन के लिए अत्यधिक लागू है, सेकंड के आदेश पर तेजी से माप की पेशकश करता है, और कुछ माइक्रोन के छोटे स्थान आकार की अनुमति देता है।" "फैब में इन-लाइन मेट्रोलॉजी टूल्स के रूप में रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी की शुरूआत से पहले संरचनाओं पर तनाव को सीधे मापने की कठिनाई ने निर्माण प्रक्रिया में बहुत बाद के चरणों में परीक्षण किया।"

अंतत: पूरी तरह से निरीक्षण के लिए, कोई काटने का कोना नहीं है। बजट गणना के लिए तुलनात्मक मेट्रिक्स की आवश्यकता हो सकती है, जैसे कि एक नए साधन की प्रारंभिक लागत बनाम अत्यधिक आरएमए की चल रही लागत। और विचार करने के लिए एक और बात है - यह कैसे सुनिश्चित करें कि आप अपने डेटा पर भरोसा कर सकते हैं।

"क्या आप यह सुनिश्चित करने के लिए शायद अच्छी सामग्री को फेंकने जा रहे हैं कि अंतिम उपयोगकर्ता को आप जो भी देते हैं उसमें कोई समस्या सामग्री नहीं है? इसका खर्चा कौन उठाएगा?” सॉफ्टवेयर उत्पाद प्रबंधन के निदेशक माइक मैकइंटायर ने चेतावनी दी नवाचार पर, who recommends a statistical database for accurate comparative assessment when doing automated defect classification.

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तनाव के सबसे खराब परिणामों में से एक वारपेज है। यह आश्चर्यजनक हो सकता है कि वारपेज का पता लगाना कठिन हो सकता है, लेकिन प्रभाव हमेशा उतना स्पष्ट नहीं होता जितना कि प्रतीत होता है। वारपेज चिप और सबस्ट्रेट के बीच समतलीयता में मामूली अंतर का कारण बनता है, जिसके कारण कुछ माइक्रोबम्प्स अपर्याप्त रूप से नीचे के पैड्स से जुड़ते हैं, एक विफलता जिसे नॉन-वेट कहा जाता है।

"उदाहरण के तौर पर 50 से 60 मिमी के उन्नत प्रोसेसर पर विचार करें," चेन ने कहा। "अपने बड़े आकार के कारण, बिना किसी ताना-बाना के प्रक्रिया करना चुनौतीपूर्ण है। फिर भी, यदि डाई-अटैच टूल को इसकी प्रोसेस विंडो के केंद्र में ट्यून किया जाता है, तो यह निरीक्षण पास कर सकता है और उच्च पैदावार के साथ निर्मित किया जा सकता है। मुद्दा यह है कि सहनशीलता बहुत संकीर्ण हो सकती है। जैसे ही आप वॉरपेज के शीर्ष पर थोड़ा सा डाई टिल्ट करते हैं, आपके पास गैर-गीले मुद्दे होते हैं।

इससे भी बदतर, अगर यह 50µm रेंज (̴35µm बंप आकार) में बम्प पिचों पर हो रहा है, तो समस्याओं की कल्पना करें क्योंकि बम्प आयाम और सिकुड़ते हैं। यह ऑटोमोटिव उद्योग के लिए पहले से ही एक चिंता का विषय है, क्योंकि यह 2023 से 2024 में अपनी अगली पीढ़ी की ओर बढ़ता है। महत्वपूर्ण संक्रमण 28nm नोड के आसपास होगा, चेन ने कहा।

चित्र 1 डाई-अटैच टूल में वारपेज होने पर डाई टिल्ट के लिए एक बहुत ही संकीर्ण प्रक्रिया विंडो होती है। स्रोत: ब्रूकर

गैर गीला
"नॉन-वेट्स," एक व्यापक शब्द है जिसमें सोल्डर बम्प्स के साथ होने वाली कई समस्याएं शामिल हैं, जिनमें से अधिकांश निराशाजनक रूप से सूक्ष्म हैं। क्योंकि मिलाप अक्सर तरल अवस्था में होता है, इसे लगाने की प्रक्रिया को "गीला करना" करार दिया गया है। कमजोर लिंक को "नॉन-वेट्स" कहा जाता है, जो पतले कनेक्शन वाले छोटे नोड्स पर एक चुनौती बन रहे हैं।

नॉन-वेट्स अक्सर विशिष्ट स्क्रीनिंग प्रक्रियाओं से बच जाते हैं, केवल बाद में लौटाए गए चिप्स (आरएमए) के रूप में दिखाने के लिए। मूल कारण थर्मल, मैकेनिकल या संयोजन हो सकते हैं, जैसे किसी कार में थर्मल साइकिल चलाना जो किसी न किसी इलाके में भी चल रहा हो। संचयी प्रभाव संपर्क को तोड़ने के लिए पर्याप्त तापीय-यांत्रिक तनाव प्रदान कर सकता है।

अतिरिक्त उपनाम हैं जो विशिष्ट प्रकार की समस्याओं का वर्णन करते हैं। एक अच्छे कनेक्शन के चिकने, स्तंभाकार आकार के बजाय, "सिर-में-तकिया" दोष में, एक गेंद दूसरे में डूबती हुई प्रतीत होती है, जैसे तकिए पर सिर।

"यह अभी भी संपर्क कर रहा है इसलिए विद्युत परीक्षण अच्छा हो सकता है, लेकिन आप देख सकते हैं कि यह बहुत नाजुक है," तकिए में सिर के एक्स-रे की ओर इशारा करते हुए चेन ने कहा। "जैसे ही आपके पास कुछ थर्मल तनाव या यांत्रिक तनाव होता है, यह पूरी तरह से टूट सकता है। भले ही यह संपर्क गीला न हो, पतला कनेक्शन उच्च प्रतिरोध, उप-इष्टतम प्रदर्शन की ओर ले जाता है, और संभवत: लंबे समय तक नहीं चलेगा। एक खुला गैर गीला बिल्कुल काम नहीं करेगा। मरने के झुकाव के साथ एक सामान्य परिदृश्य में, अच्छी तरह से गठित बाधाओं से गैर-गीलों में एक दृश्य संक्रमण होता है।

The critical issue is latent defects — connections that are functional enough to pass electrical test but fail in the field.

अंजीर। 2 धीरे-धीरे संक्रमण मरने के झुकाव की उपस्थिति में गैर-गीलों के लिए अच्छे टक्कर बनाता है। स्रोत: ब्रूकर

“It’s a big issue right now with many types of devices due to the effects of thermal stress,” said Chen. “One customer had product that passed e-test screening and was shipped out. Unfortunately, they had a lot of RMAs due to non-wets failures that developed afterward.”

कुछ कंपनियां दर्दनाक थकाऊ मैनुअल निरीक्षण के माध्यम से इसे संबोधित कर रही हैं। दुर्भाग्य से, कोई भी मानव परीक्षा ऑपरेटर थकान के अधीन होती है, खासकर जब परीक्षक बहु-घंटे की शिफ्ट के दौरान सूक्ष्म त्रुटियों को खोजने की कोशिश कर रहे हों।

सकारात्मक पक्ष पर, निरीक्षण के लिए अब स्वचालित दृष्टिकोण हैं, जैसे कि एक्स-रे उपकरण जिनका इनलाइन उपयोग किया जा सकता है। चेन ने कहा, "विशेष रूप से ऑटोमोटिव उद्योग के लिए <100dppb हासिल करने के लिए उच्च गति, पूरी तरह से स्वचालित निरीक्षण की ओर एक बड़ा चालक है।"

यह वहां से और अधिक जटिल हो जाता है। ड्रेपर में प्रयोगशाला तकनीकी स्टाफ के एक प्रमुख सदस्य टॉम मैरिनिस ने कहा, "विशेष रूप से, सोल्डर, कई गैर-वेट्स के पीछे अपराधी भी इलेक्ट्रोमाइग्रेशन के अधीन है।" "यदि चिप और सब्सट्रेट के बीच संबंध में वर्तमान घनत्व किसी विशेष सोल्डर के लिए समय की अवधि में बहुत अधिक है, क्योंकि सोल्डर का पिघलने का तापमान डिवाइस के ऑपरेटिंग तापमान की तुलना में अपेक्षाकृत कम हो सकता है, तो आप माइग्रेशन प्राप्त कर सकते हैं परमाणुओं के और वास्तव में रिक्तियां बनाते हैं और अंत में एक कनेक्शन खोलते हैं।

Marinis warned that commercial modeling tools at the device-PCB level aren’t quite mature enough to consistently alert to potential electromigration problems, so it’s important to still perform an accelerated aging test.

निष्कर्ष
अंतत: अव्यक्त दोषों से विश्वसनीयता के मुद्दों का पता लगाने के लिए उच्च नमूना मेट्रोलॉजी की आवश्यकता होगी जो डाई शिफ्ट, रोटेशन, ऊंचाई, झुकाव और अन्य मापदंडों के प्रति संवेदनशील हो। उत्पादन से पहले संभावित समस्याओं का अनुमान लगाने और उन्हें हल करने की कोशिश करने के लिए बहु-भौतिकी मॉडलिंग पर अधिक निर्भरता की भी आवश्यकता होगी। और जैसा कि सेमीकंडक्टर और ऑटोमोटिव उद्योगों का आपस में मिलना जारी है, केवल RMA की तुलना में कहीं अधिक दांव पर है।

चेन ने कहा, "विफलता की लागत तेजी से बढ़ती है क्योंकि अव्यक्त दोष उपकरणों से मॉड्यूल से कारों तक जाते हैं जो लोगों के जीवन को खतरे में डाल सकते हैं।" यही कारण है कि चिप निर्माता समग्र समाधान तैयार कर रहे हैं जो छिपे हुए दोषों को बेहतर ढंग से पकड़ने के लिए डिजाइन, निरीक्षण और परीक्षण को जोड़ती है।

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• स्रोत: https://semiengineering.com/bump-reliability-is-challenged-by-latent-defects/