Mikrobølgebaseret testmetode kan hjælpe med at holde 3-D-chipdesigners øjne åbne

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opfundet en ny tilgang til at teste flerlags, tredimensionelle computerchips, der nu dukker op i nogle af de nyeste forbrugerenheder. Den nye metode kan være svaret, som halvlederindustrien har brug for for hurtigt at vurdere pålideligheden af ​​denne relativt nye chipkonstruktionsmodel, som stabler lag af flade kredsløb oven på hinanden som gulve i en bygning for at hjælpe med at gøre chips stadig hurtigere og spækket med funktioner.

Tilgangen overvinder begrænsningen af ​​konventionelle chip-testmetoder på de såkaldte 3-D-chips, som omfatter mange tynde vandrette "gulve" forbundet med hinanden via lodrette veje kaldet gennem-substrat-vias, eller TSV'er. Disse TSV'er er afgørende for driften af ​​3-D-chips, som først er blevet kommercielt levedygtige i de sidste par år efter årtiers vedvarende udviklingsindsats fra industriens side.

Med NISTs nye testmetode, chipdesignere kan have en bedre måde at minimere virkningerne af "elektromigration, " en flerårig årsag til chipfejl, der er rodfæstet i det slid, som ubarmhjertige strømme af strømmende elektroner påfører det skrøbelige kredsløb, der bærer dem. NIST-tilgangen kunne give designere en hurtigere måde at udforske chipmaterialernes ydeevne på forhånd, derved give mere, og næsten i realtid, indsigt i, hvilke materialer der bedst tjener i en 3-D chip.

"Vores arbejde viser, at det kan være muligt at opdage mikroskopiske fejl hurtigere, " sagde NISTs Yaw Obeng, forskningskemiker og leder af projektet Metrology for Emerging Integrated Systems. "I stedet for at vente i flere måneder, vi kan se om dage eller timer, hvornår det kommer til at ske. Du kan køre vores test under materialevalgsfasen for at se, hvordan forarbejdning vil påvirke slutproduktet. Hvis du ikke kan se det, du kan træffe den forkerte beslutning."

Hvis en 3-D chip var et højhus, TSV'er ville være dens elevatorer. De hjælper 3-D-chips med at udføre tre vigtige ting:Fremskynde, krympe ned og køle af. Ved at tillade elementer på forskellige etager at kommunikere med hinanden, signaler behøver ikke længere at rejse hele vejen hen over en forholdsvis vidtstrakt 2-D chip, hvilket betyder, at beregninger går hurtigere, og elektroner opvarmer langt mindre ledende materiale, når de bevæger sig.

Sammen med disse fordele, TSV'er har også en ulempe:Deres pålidelighed er svær at teste med den konventionelle metode, hvilket indebærer at lede jævnstrøm gennem lederen og vente på, at dens modstand ændrer sig. Det er meget tidskrævende, kræver uger eller endda måneder at vise resultater. Chipindustrien har brug for en ny metrologitilgang, der er hurtig og realistisk, og det ville afsløre indvirkningen på det højhastighedssignal, der rent faktisk løber gennem lederne.

Den nye NIST-testmetode sender mikrobølger gennem materialet og måler ændringer i både mængden og kvaliteten af ​​signalet. Deres testopsætning, som simulerer virkelige forhold, gentagne gange opvarmer og afkøler materialet, får det til at udvikle fejl, og over tid, mikrobølgesignalet falder i styrke og falder fra en rengøring, firkantet bølge til en, der er mærkbart forvrænget.

Brug af mikrobølgeovne giver flere fordele. Måske den vigtigste blandt dem er, hvor hurtigt metoden giver information om en enheds pålidelighed, i den aktuelle enhed af interesse, længe før det rent faktisk fejler - en mulighed, der ikke er tilgængelig med den modstandsbaserede tilgang.

"Før fejl kommer, hvad vi kalder en 'stille periode', hvor begyndelsen af ​​defekter blæser rundt gennem materialet, som frø i vinden, " sagde Obeng. "Mikrobølgerne viser, at denne proces foregår. Hvis du bare ser materialet med modstand, du ser ikke dette, den er enten levende eller død."

Mikrobølger kan afsløre information om defekter så hurtigt som tre dage efter, at testningen begynder, mens konventionelle test kan tage måneder.

Obeng vurderer, at denne metode kan implementeres fuldt ud af industrien inden for få år, og kunne give værdifuld indsigt.

"Denne tilgang ville give materialedesignere indsigt i, hvilke materialer der skal bruges i chips, og hvordan man bygger dem, " sagde han. "At træffe de rigtige beslutninger kan resultere i et slutprodukt, der er mere stabilt og pålideligt. Dette vil give dem mere information til at træffe disse beslutninger."