Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuwe benadering bedacht voor het testen van meerlagige, driedimensionale computerchips die nu in enkele van de nieuwste consumentenapparaten verschijnen. De nieuwe methode kan het antwoord zijn dat de halfgeleiderindustrie nodig heeft om snel de betrouwbaarheid van dit relatief nieuwe chipconstructiemodel te beoordelen, die lagen platte circuits op elkaar stapelt, zoals vloeren in een gebouw, om chips steeds sneller en boordevol functies te maken.

De aanpak overwint de beperking van conventionele chiptestmethoden op de zogenaamde 3D-chips, die veel dunne horizontale "vloeren" omvatten die met elkaar zijn verbonden door verticale paden die door-substraat via's worden genoemd, of TSV's. Deze TSV's zijn essentieel voor de werking van 3D-chips, die pas in de afgelopen jaren commercieel levensvatbaar zijn geworden na decennia van aanhoudende ontwikkelingsinspanningen door de industrie.

Met de nieuwe testmethode van NIST, chipontwerpers hebben misschien een betere manier om de effecten van "elektromigratie, " een eeuwige oorzaak van chipfalen, geworteld in de slijtage die meedogenloze stromen van stromende elektronen toebrengen aan de fragiele schakelingen die ze dragen. De NIST-aanpak zou ontwerpers een snellere manier kunnen bieden om de prestaties van chipmaterialen van tevoren te onderzoeken, waardoor meer, en bijna realtime, inzicht in welke materialen het beste passen in een 3D-chip.

"Ons werk toont aan dat het mogelijk is om microscopische fouten sneller te ontdekken, " zei Yaw Obeng van NIST, onderzoekschemicus en leider van het project Metrology for Emerging Integrated Systems. "In plaats van maanden te wachten, we kunnen in dagen of uren zien wanneer het gaat gebeuren. U kunt onze tests uitvoeren tijdens de materiaalkeuzefase om te zien hoe de verwerking het eindproduct zal beïnvloeden. Als je het niet kunt zien, je zou de verkeerde beslissing kunnen nemen."

Als een 3D-chip een hoogbouw was, TSV's zouden de liften zijn. Ze helpen 3D-chips om drie essentiële dingen te doen:versnellen, krimpen en afkoelen. Door elementen op verschillende verdiepingen met elkaar te laten communiceren, signalen hoeven niet langer helemaal over een relatief uitgestrekte 2D-chip te reizen, wat betekent dat berekeningen sneller gaan en elektronen veel minder geleidend materiaal opwarmen terwijl ze bewegen.

Naast deze voordelen, TSV's hebben ook één nadeel:hun betrouwbaarheid is moeilijk te testen met de conventionele methode, waarbij gelijkstroom door de geleider wordt geleid en wacht tot de weerstand verandert. Het kost veel tijd, weken of zelfs maanden nodig hebben om resultaten te laten zien. De chipindustrie heeft een nieuwe metrologische aanpak nodig die snel en realistisch is, en dat zou de impact onthullen op het hogesnelheidssignaal dat daadwerkelijk door de geleiders loopt.

De nieuwe NIST-testmethode stuurt microgolven door het materiaal en meet veranderingen in zowel de hoeveelheid als de kwaliteit van het signaal. Hun testopstelling, die realistische omstandigheden simuleert, verwarmt en koelt herhaaldelijk het materiaal, waardoor het gebreken ontwikkelt, en na verloop van tijd, het microgolfsignaal neemt in sterkte af en vervalt van een schoon, vierkante golf naar een die merkbaar vervormd is.

Het gebruik van magnetrons brengt meerdere voordelen met zich mee. Misschien wel de belangrijkste daarvan is hoe snel de methode informatie geeft over de betrouwbaarheid van een apparaat, in het eigenlijke apparaat van belang, lang voordat het echt faalt - een mogelijkheid die niet beschikbaar is met de op weerstand gebaseerde benadering.

"Voor het falen komt wat we noemen een 'rustperiode' wanneer het begin van defecten door het materiaal waait, als zaden in de wind, " zei Obeng. "De microgolven laten zien dat dit proces plaatsvindt. Als je alleen maar met weerstand naar het materiaal kijkt, dit zie je niet, het is levend of dood."

Microgolven kunnen binnen drie dagen na het begin van het testen informatie over defecten onthullen, terwijl conventionele tests maanden kunnen duren.

Obeng schat dat deze methode binnen enkele jaren volledig door de industrie kan worden geïmplementeerd, en kan waardevolle inzichten opleveren.

"Deze aanpak zou materiaalontwerpers inzicht geven in welke materialen ze in chips moeten gebruiken en hoe ze te bouwen, "Hij zei. "Het nemen van de juiste beslissingen kan resulteren in een eindproduct dat stabieler en betrouwbaarder is. Dit geeft hen meer informatie om die beslissingen te nemen."