ความน่าเชื่อถือของ Bump ถูกท้าทายด้วยข้อบกพร่องที่แฝงอยู่

ความเค้นจากความร้อนเป็นปัญหาที่รู้จักกันดีในบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง พร้อมกับความท้าทายของความเค้นเชิงกล ทั้งสองอย่างนี้รุนแรงขึ้นจากการรวมตัวต่างกัน ซึ่งมักต้องการวัสดุผสมที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่เข้ากันไม่ได้

เอฟเฟ็กต์กำลังแสดงอยู่แล้ว และจะยิ่งแย่ลงไปอีกเมื่อความหนาแน่นของแพ็คเกจเพิ่มขึ้นเกิน 1,000 กระแทกต่อชิป

“คุณผสมโลหะที่มี CTE ค่อนข้างสูง แล้วคุณก็จะได้โพลิเมอร์ที่มีความแข็ง CTE มากขึ้น และจากนั้นคุณก็จะได้ไดอิเล็กทริกที่มี CTE ต่ำมาก เมื่อคุณรวมทุกอย่างเข้าด้วยกันแล้ว ความเครียดจะหลีกเลี่ยงไม่ได้” Mario Gonzalez ผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์และผู้จัดการ R&D สำหรับการสร้างแบบจำลองทางกลและทางความร้อนและการกำหนดลักษณะเฉพาะของ imec กล่าว

ความเครียดดังกล่าวมักส่งผลให้เกิดการบิดงอหรือการเอียงตาย ซึ่งนำไปสู่สภาวะที่ลดความน่าเชื่อถือลง Chip Greely รองประธานฝ่ายวิศวกรรมของ โพรเม็กซ์อินดัสทรีส์. “โดยเฉพาะอย่างยิ่งความหนาของแกนที่แตกต่างกันในวัสดุพิมพ์ เริ่มสร้างปัญหาเชิงกลแบบคลาสสิกมากมาย รวมถึงการบิดงอ ซึ่งกลายเป็นปัญหาสำหรับผู้เล่นรายใหญ่บางราย เรากำลังขอให้ลูกค้าจำนวนมากของเราที่มีโมดูลหลายชิปที่ผสมผสานการผสานรวมแบบต่างระบบในแพ็คเกจ เพื่อให้ข้อมูล shadow moiré ของวัสดุพิมพ์ เพื่อที่เราจะได้เห็นว่าการบิดงอเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่ออุณหภูมิรีโฟลว์ จุดสะท้อน”

Gilad Barak รองประธานฝ่ายเทคโนโลยีขั้นสูงที่ โนวา. “บ่อยครั้ง การงอและบิดของคุณสมบัติในระดับโครงสร้างนาโนเป็นผลมาจากความเครียดในตัวที่ถูกสร้างขึ้น ดังที่พบใน DRAM และ front-end logic nanosheets” เขากล่าว “อีกตัวอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับพื้นที่ระดับไมครอนที่ความเครียดเหนี่ยวนำขัดขวางการสร้างโครงสร้างสารกึ่งตัวนำระดับไฮเอนด์ ดังที่เป็นเรื่องปกติใน ในที่สุด ผลกระทบขนาดใหญ่ของความเค้นที่เหนี่ยวนำสามารถทำให้เกิดการโค้งงอของแผ่นเวเฟอร์ ทำให้การจัดการและการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซับซ้อนขึ้นอย่างมาก ซึ่งเสี่ยงต่อการแตกหักของตัวแผ่นเวเฟอร์เอง การโค้งงอแบบเวเฟอร์จะเห็นได้อย่างชัดเจนในระหว่างการทับถมของชั้นอิเล็กทริกหนา ซึ่งเป็นเรื่องปกติในระหว่างการผลิตอุปกรณ์ 3D NAND”

ข่าวดีก็คืออุตสาหกรรมนี้ตระหนักดีถึงปัญหาเหล่านี้และปัญหาที่เกี่ยวข้อง ข่าวร้ายคือยังขาดวิธีแก้ปัญหา แม้ว่าจะมีหลายวิธีที่กำลังสำรวจอยู่ในขณะนี้

“มีวิธีการต่างๆ มากมายเพื่อลดการบิดเบี้ยว แต่ไม่มีวิธีการใดที่ประสบความสำเร็จอย่างสมบูรณ์ และมักมีการแลกเปลี่ยนเสมอ” แฟรงก์ เฉิน ผู้อำนวยการฝ่ายการจัดการแอปพลิเคชันและผลิตภัณฑ์ของ Bruker Nano พื้นผิวและมาตรวิทยา. “ปัญหาไม่ได้แยกเฉพาะกับแอพพลิเคชั่นที่แคบ เมื่อใดก็ตามที่คุณติดแม่พิมพ์เข้ากับวัสดุพิมพ์อื่น คุณจะประสบปัญหาเหล่านี้”

ทั้งหมดนี้หมายความว่าการตรวจสอบและมาตรวิทยาจะต้องมีบทบาทสำคัญต่อไป ปัญหาอื่นๆ เช่น ฮอตสปอต อาจรุนแรงขึ้นเมื่อรวมชิปหลายตัวในแพ็คเกจที่แตกต่างกัน

Andrei Berar ผู้อำนวยการอาวุโสฝ่ายพัฒนาธุรกิจทดสอบของ Test Business Development กล่าวว่า “ระหว่างการทดสอบ ชิปต่างๆ จะร้อนขึ้นในเวลาและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดจุดร้อนที่ต้องระบายความร้อนอย่างเหมาะสม อัมกอร์. “นอกเหนือจากการสร้างคอนโทรลเลอร์แอคทีฟระบายความร้อนเฉพาะ ซึ่งตรงกับพื้นที่ของชิปที่แตกต่างกันแล้ว ยังมีความพยายามที่สำคัญในการพัฒนาตัวควบคุมความร้อนแบบปรับได้ที่สามารถ 'คาดการณ์' จุดร้อนตามเวกเตอร์ที่ได้จากโปรแกรมทดสอบ”

การผสมผสานดังกล่าวยังนำไปสู่การใช้มาตรวิทยาแบบผสมผสานเพิ่มมากขึ้น ซึ่งเป็นการรวมเทคนิคต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อเข้าถึงต้นตอของปัญหาอย่างรวดเร็วที่สุด

ออกแบบ ตรวจสอบ ทดสอบโซลูชั่น
แท้จริงแล้ว การทำงานร่วมกันแบบคลาสสิกระหว่างการออกแบบ การตรวจสอบ และความเค้นเชิงกลเชิงความร้อนนั้นซับซ้อนมากขึ้นด้วยการเชื่อมต่อที่เล็กลงและเปราะบางมากขึ้นเป็นพันๆ ครั้ง

ผลลัพธ์ประการหนึ่งคือการเน้นย้ำอีกครั้งในการเปลี่ยนเกียร์ไปทางซ้าย เพื่อหวังว่าจะ "ออกแบบ" ปัญหา CTE และผลกระทบต่อเนื่องที่อาจนำไปสู่ความร้อนสูงเกินไปและความเค้นเชิงกล Andras Vass-Varnai ผู้บริหารฝ่ายพัฒนาพอร์ตโฟลิโอของแผนก Electronics and Semiconductor Industry ของ ซอฟต์แวร์ Siemens Digital Industries.

“การจำลองความร้อนและโครงสร้างร่วมกันโดยใช้พลศาสตร์การไหลของการคำนวณ (CFD) การสร้างแบบจำลององค์ประกอบไฟไนต์ (FEA) ฯลฯ ในขั้นตอนการออกแบบเริ่มต้นของแพ็คเกจช่วยให้ทั้งคู่เข้าใจประสิทธิภาพที่คาดหวังของการประกอบและยังช่วยให้เป็นพื้นฐานที่ดีสำหรับ ' การเพิ่มประสิทธิภาพที่ขับเคลื่อนด้วย AI เนื่องจากตัวเลือกการออกแบบจำนวนมากสามารถกำหนดพารามิเตอร์ได้” Vass-Varnai อธิบาย “เมื่อสร้างต้นแบบเครื่องแรกแล้ว การทดสอบอุณหภูมิชั่วคราวสามารถช่วยทำแผนที่ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของส่วนประกอบได้ หากมีความไม่ตรงกันระหว่างพฤติกรรมการระบายความร้อนที่คาดไว้กับพฤติกรรมการระบายความร้อนจริง สามารถใช้ข้อมูลการทดสอบเพื่อ 'ปรับเทียบ' คุณสมบัติของวัสดุของบรรจุภัณฑ์แฝดดิจิทัล และอัปเดตคลังวัสดุเพื่อความแม่นยำเริ่มต้นที่สูงขึ้นของการออกแบบที่กำลังจะมาถึง”

การหาวิธีที่ดีที่สุดในการทดสอบ Bump Array และการออกแบบสำหรับการทดสอบเป็นความท้าทายที่เพิ่มขึ้น “จะเกิดอะไรขึ้นถ้ามีสัญญาณขึ้นและลง” ถาม Rob Aitken, a Synopsys เพื่อน “นั่นสร้างปัญหาในการทดสอบ เพราะตอนนี้คุณมีสัญญาณที่ไม่ไปไหนและอีกสัญญาณหนึ่งที่มาจากที่ไหนก็ไม่รู้ และคุณต้องคิดให้ออกว่าคุณจะทดสอบสิ่งเหล่านั้นอย่างไร คุณตรวจสอบพวกเขาหรือไม่? แต่ในกรณีนั้น มีขนาดทางกายภาพที่คุณต้องรักษา และจากนั้น คุณจะเสี่ยงต่อการเสียหายทางกล หรือคุณพบโครงสร้างคล้าย JTAG บ้างไหม? แต่นั่นจะลดประสิทธิภาพของจุดเชื่อมต่อเหล่านี้ เราอยู่ในขั้นตอนการทดลองที่กว้างใหญ่ที่ทุกคนพูดว่า 'บางทีสิ่งนี้อาจจะได้ผล บางทีมันอาจจะได้ผลก็ได้' ตอนนี้ฉันไม่ต้องการเดิมพันในสิ่งที่ 'นั่นคือ'”

JCET มีตัวเลือกการทดสอบทั้งทางอ้อมและทางตรงสำหรับการตรวจสอบข้อบกพร่อง ตัวอย่างเช่น CSAM (Computed Scanning Acoustic Tomography) และ 3D X-ray เป็นทางอ้อม ในขณะที่การวิเคราะห์ภาคตัดขวางเชิงกลเป็นเครื่องมือสำหรับการพิสูจน์โดยตรง JCET มีอุปกรณ์ระบุลักษณะทางความร้อนขั้นสูงเพื่อระบุลักษณะปัญหาของวัสดุ/โครงสร้างที่เกิดจากข้อบกพร่องทางกลเช่นกัน

เช่นเคย การตรวจสอบด้วยแสงเป็นวิธีที่เร็วที่สุดสำหรับการตรวจสอบแบบอินไลน์ แต่แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือวิธีการแบบผสมผสาน “วิธีที่ดีที่สุดในการตรวจจับการลัดวงจร/การเปิดและข้อบกพร่องเล็กน้อยคือ SPI (การตรวจสอบการบัดกรีด้วยการวาง) ไปจนถึง AOI ก่อนการรีโฟลว์ (การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ) ไปจนถึง AOI ภายหลังการรีโฟลว์ไปจนถึงการเอ็กซ์เรย์แบบอินไลน์” ทิโมธี สคูนส์ รองประธานฝ่ายวิจัยให้คำแนะนำ และการพัฒนาใน Nordson Test & Inspection's ไซเบอร์ออปติค พอร์ตโฟลิโอ

นอกจากนี้ โมดิลิตีอื่นๆ อาจมีประโยชน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โหนดขั้นสูง ตัวอย่างเช่น วิธีการล่าสุดในการระบุลักษณะความเครียดในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์คือ Raman Spectroscopy (RS) “RS ใช้งานได้สูงสำหรับการวัดบนโครงสร้าง โดยให้การวัดที่รวดเร็วตามลำดับวินาที และขนาดจุดเล็กไม่กี่ไมครอนเพื่อให้วัดได้อย่างละเอียด” Barak จาก Nova กล่าว “ความยากในการวัดความเครียดบนโครงสร้างโดยตรงก่อนที่จะมีการนำรามานสเปกโทรสโกปีมาใช้เป็นเครื่องมือมาตรวิทยาแบบอินไลน์ใน fab นำไปสู่การทดสอบในขั้นตอนต่อมาในกระบวนการผลิต”

ท้ายที่สุด สำหรับการตรวจสอบอย่างละเอียด ไม่มีการตัดมุมใดๆ การคำนวณงบประมาณอาจต้องใช้เมตริกเปรียบเทียบ เช่น ต้นทุนเริ่มต้นของตราสารใหม่ เทียบกับต้นทุนต่อเนื่องของ RMA ที่มากเกินไป และยังมีอีกสิ่งหนึ่งที่ต้องพิจารณา — วิธีทำให้มั่นใจว่าข้อมูลของคุณเชื่อถือได้

“คุณกำลังจะทิ้งสิ่งที่น่าจะเป็นเนื้อหาที่ดีเพื่อให้แน่ใจว่าคุณไม่มีปัญหาในเนื้อหาที่คุณส่งต่อไปยังผู้ใช้ปลายทางใช่หรือไม่ ใครจะเป็นคนแบกรับค่าใช้จ่ายนั้น” เตือน Mike McIntyre ผู้อำนวยการฝ่ายการจัดการผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์ที่ สู่นวัตกรรมซึ่งเป็นผู้แนะนำฐานข้อมูลทางสถิติสำหรับการประเมินเปรียบเทียบที่แม่นยำเมื่อทำการจำแนกประเภทข้อบกพร่องโดยอัตโนมัติ

ตัวอย่างประโยชน์
ผลที่เลวร้ายที่สุดของความเครียดคือการบิดงอ อาจเป็นเรื่องน่าแปลกใจที่การบิดเบี้ยวตรวจจับได้ยาก แต่ผลลัพธ์ไม่ได้ชัดเจนอย่างที่คิดเสมอไป การบิดงอทำให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อยในระนาบร่วมระหว่างชิปและวัสดุพิมพ์ ทำให้เกิดการกระแทกขนาดเล็กบางส่วนที่เชื่อมต่อกับแผ่นรองด้านล่างไม่เพียงพอ ความล้มเหลวที่เรียกว่าไม่เปียก

“ลองพิจารณาโปรเซสเซอร์ขั้นสูงที่มีขนาด 50 ถึง 60 มม. เป็นตัวอย่าง” Chen กล่าว “เนื่องจากขนาดที่ใหญ่ การประมวลผลโดยไม่บิดเบี้ยวจึงทำได้ยาก อย่างไรก็ตาม หากเครื่องมือติดแม่พิมพ์ได้รับการปรับให้ตรงกึ่งกลางของกรอบเวลาการทำงาน จะสามารถผ่านการตรวจสอบและผลิตโดยให้ผลตอบแทนสูง ปัญหาคือความอดทนอาจแคบมาก ทันทีที่คุณมีส่วนเอียงตายด้านบนของหน้าบิดเบี้ยว คุณจะมีปัญหาที่ไม่เปียก”

ที่แย่กว่านั้น หากสิ่งนี้เกิดขึ้นที่ระยะการชนในช่วง 50µm (ขนาดการกระแทก ̴35µm) ให้จินตนาการถึงปัญหาเมื่อขนาดการกระแทกลดลงอีก เป็นเรื่องที่น่ากังวลสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์อยู่แล้ว ในขณะที่กำลังก้าวไปสู่เจเนอเรชันถัดไปในปี 2023-2024 การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญจะอยู่ที่โหนด 28 นาโนเมตร เฉินกล่าว

รูปที่ 1 เครื่องมือติดแม่พิมพ์มีหน้าต่างกระบวนการที่แคบมากสำหรับการเอียงแม่พิมพ์เมื่อมีการบิดเบี้ยว ที่มา: Bruker

ไม่เปียก
“ไม่เปียก” เป็นคำกว้างๆ ที่ครอบคลุมปัญหาต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้จากการกระแทกของโลหะบัดกรี ซึ่งส่วนใหญ่บอบบางจนน่าหงุดหงิด เนื่องจากโลหะบัดกรีมักมีสถานะเป็นของเหลว จึงเรียกกระบวนการนี้ว่า "การทำให้เปียก" การเชื่อมโยงที่บอบบางเรียกว่า "ไม่เปียก" ซึ่งกำลังกลายเป็นความท้าทายมากขึ้นสำหรับโหนดขนาดเล็กที่มีการเชื่อมต่อที่บางกว่า

ของที่ไม่เปียกมักจะหลุดรอดจากกระบวนการคัดกรองทั่วไป แต่มาแสดงในภายหลังว่าเป็นชิปที่ส่งคืน (RMA) สาเหตุอาจเป็นความร้อน เชิงกล หรือรวมกัน เช่น การปั่นจักรยานด้วยความร้อนในรถที่ขับผ่านพื้นที่ขรุขระ ผลกระทบสะสมสามารถทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนและเชิงกลมากพอที่จะทำให้หน้าสัมผัสขาดได้

มีชื่อเล่นเพิ่มเติมที่อธิบายประเภทของปัญหาเฉพาะ แทนที่จะเป็นรูปทรงเสาที่ราบเรียบของการเชื่อมต่อที่ดี ในจุดบกพร่องแบบ “หัวเข้าหมอน” ดูเหมือนว่าลูกบอลลูกหนึ่งจะจมลงในอีกลูกหนึ่ง เหมือนหัวพิงหมอน

“มันยังคงสัมผัสอยู่ ดังนั้นการทดสอบทางไฟฟ้าจึงเป็นไปได้ด้วยดี แต่คุณจะเห็นว่ามันเปราะบางมาก” เฉินกล่าวพร้อมชี้ไปที่ภาพเอ็กซ์เรย์ของหมอนแบบสวมศีรษะ “ทันทีที่คุณเกิดความเครียดจากความร้อนหรือความเครียดเชิงกล มันอาจจะแตกหักได้ทั้งหมด แม้ว่าจะเป็นหน้าสัมผัสที่ไม่เปียก การเชื่อมต่อแบบบางทำให้มีความต้านทานสูง ประสิทธิภาพต่ำกว่ามาตรฐาน และน่าจะอยู่ได้ไม่นาน การเปิดที่ไม่เปียกจะไม่ทำงานเลย ในสถานการณ์ทั่วไปที่มีการเอียงของแม่พิมพ์ จะมีการเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้จากการกระแทกที่มีรูปแบบดีไปสู่การไม่เปียก”

ปัญหาร้ายแรงคือข้อบกพร่องที่แฝงอยู่ — การเชื่อมต่อที่ใช้งานได้เพียงพอที่จะผ่านการทดสอบทางไฟฟ้าแต่ล้มเหลวในสนาม

รูปที่ 2 การเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปก่อให้เกิดการกระแทกที่ดีไปยังพื้นที่ไม่เปียกเมื่อมีการเอียงของดาย ที่มา: Bruker

“ตอนนี้มันเป็นปัญหาใหญ่กับอุปกรณ์หลายประเภทเนื่องจากผลกระทบของความเครียดจากความร้อน” เฉินกล่าว “ลูกค้ารายหนึ่งมีผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการคัดกรองการทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์และถูกส่งออกไปแล้ว น่าเสียดายที่พวกเขามี RMA จำนวนมากเนื่องจากความล้มเหลวแบบไม่เปียกซึ่งพัฒนาขึ้นในภายหลัง”

บางบริษัทกำลังแก้ไขปัญหานี้ด้วยการตรวจสอบโดยเจ้าหน้าที่ที่น่าเบื่อ น่าเสียดายที่การตรวจสอบโดยมนุษย์อาจเกิดความเหนื่อยล้าของผู้ปฏิบัติงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผู้ตรวจสอบพยายามตรวจหาข้อผิดพลาดเล็กน้อยระหว่างกะทำงานหลายชั่วโมง

ในด้านบวก ขณะนี้มีวิธีการตรวจสอบแบบอัตโนมัติ เช่น เครื่องมือเอ็กซเรย์ที่สามารถใช้งานแบบอินไลน์ได้ “มีแรงผลักดันจำนวนมากในการตรวจสอบอัตโนมัติความเร็วสูงเพื่อให้บรรลุ <100dppb โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์” เฉินกล่าว

มันซับซ้อนมากขึ้นจากที่นั่น Tom Marinis สมาชิกหลักของเจ้าหน้าที่ด้านเทคนิคของห้องปฏิบัติการของ Draper กล่าวว่า "โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การบัดกรี ซึ่งเป็นสาเหตุเบื้องหลังของวัสดุที่ไม่เปียกจำนวนมาก “หากความหนาแน่นกระแสในการเชื่อมต่อระหว่างชิปและวัสดุพิมพ์สูงเกินไปสำหรับการบัดกรีแบบใดแบบหนึ่งในช่วงระยะเวลาหนึ่ง เนื่องจากอุณหภูมิหลอมเหลวของโลหะบัดกรีอาจค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับอุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์ คุณสามารถรับการโยกย้ายได้ ของอะตอมและสร้างช่องว่างขึ้นมาจริง ๆ และเปิดการเชื่อมต่อในที่สุด”

Marinis เตือนว่าเครื่องมือสร้างแบบจำลองเชิงพาณิชย์ในระดับอุปกรณ์-PCB ยังไม่สมบูรณ์พอที่จะแจ้งเตือนถึงปัญหาการย้ายถิ่นฐานด้วยไฟฟ้าที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องทำการทดสอบความชราแบบเร่งต่อไป

สรุป
ในท้ายที่สุด การตรวจจับปัญหาความน่าเชื่อถือจากข้อบกพร่องแฝงจะต้องใช้มาตรวิทยาการสุ่มตัวอย่างที่สูงขึ้น ซึ่งไวต่อการเปลี่ยนไดย์ การหมุน ความสูง การเอียง และพารามิเตอร์อื่นๆ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องพึ่งพาการสร้างแบบจำลองหลายฟิสิกส์มากขึ้นเพื่อพยายามคาดการณ์และแก้ไขปัญหาที่อาจเกิดขึ้นก่อนการผลิต และในขณะที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และยานยนต์ผสมผสานกันอย่างต่อเนื่อง มีความเสี่ยงมากกว่าแค่ RMA

“ต้นทุนของความล้มเหลวเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ เนื่องจากข้อบกพร่องแฝงที่ส่งต่อจากอุปกรณ์ไปยังโมดูลต่างๆ ไปจนถึงรถยนต์ที่อาจเป็นอันตรายต่อชีวิตผู้คน” เฉินกล่าว นี่คือเหตุผลที่ผู้ผลิตชิปกำลังสร้างโซลูชันแบบองค์รวมที่รวมการออกแบบ การตรวจสอบ และการทดสอบเข้าด้วยกันเพื่อตรวจจับข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ได้ดีขึ้น

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://semiengineering.com/bump-reliability-is-challenged-by-latent-defects/