Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har uppfunnit en ny metod för att testa flerskiktade, tredimensionella datorchips som nu visas i några av de senaste konsumentenheterna. Den nya metoden kan vara svaret som halvledarindustrin behöver för att snabbt kunna bedöma tillförlitligheten hos denna relativt nya chipkonstruktionsmodell, som staplar lager av platta kretsar ovanpå varandra som golv i en byggnad för att göra chipsen allt snabbare och full av funktioner.

Tillvägagångssättet övervinner begränsningen av konventionella chip-testmetoder på de så kallade 3-D-chipsen, som inkluderar många tunna horisontella "golv" anslutna till varandra genom vertikala vägar som kallas genom-substrat-vias, eller TSV. Dessa TSV är avgörande för driften av 3-D-chips, som har blivit kommersiellt livskraftiga bara under de senaste åren efter årtionden av branschens fortsatta utvecklingsinsatser.

Med NIST:s nya testmetod, chipdesigners kan ha ett bättre sätt att minimera effekterna av "elektromigration, "en flerårig orsak till flisfel som är förankrad i slitage som obevekliga strömmar av flödande elektroner orsakar de ömtåliga kretsarna som bär dem. NIST -tillvägagångssättet kan ge designers ett snabbare sätt att utforska chipmaterialets prestanda i förväg, ger därmed mer, och nästan i realtid, insikt i vilka material som bäst fungerar i ett 3D-chip.

"Vårt arbete visar att det kan vara möjligt att upptäcka mikroskopiska fel snabbare, "sa NIST:s Yaw Obeng, forskningskemiker och ledare för projektet Metrology for Emerging Integrated Systems. "Istället för att vänta i månader, vi kan se i dagar eller timmar när det kommer att hända. Du kan köra våra tester under materialvalsfasen för att se hur bearbetning kommer att påverka slutprodukten. Om du inte kan se det, du kan fatta fel beslut. "

Om ett 3D-chip skulle vara ett höghus, TSV skulle vara dess hissar. De hjälper 3D-marker att göra tre viktiga saker:Snabba upp, krympa och svalna. Genom att låta element på olika våningar kommunicera med varandra, signaler behöver inte längre resa hela vägen över ett relativt spretigt 2-D-chip, vilket betyder att beräkningar går snabbare och elektroner värmer upp mycket mindre ledande material när de rör sig.

Tillsammans med dessa fördelar, TSV har också en nackdel:deras tillförlitlighet är svår att testa med den konventionella metoden, som innebär att likström passerar genom ledaren och väntar på dess motstånd mot förändring. Det är mycket tidskrävande, som kräver veckor eller till och med månader för att visa resultat. Chipsindustrin behöver ett nytt metrologiskt tillvägagångssätt som är snabbt och realistiskt, och det skulle avslöja påverkan på höghastighetssignalen som faktiskt går genom ledarna.

Den nya NIST -testmetoden skickar mikrovågor genom materialet och mäter förändringar i både mängden och kvaliteten på signalen. Deras testinställningar, som simulerar verkliga förhållanden, värmer och kyler materialet upprepade gånger, får det att utveckla brister, och med tiden, mikrovågssignalen minskar i styrka och avtar från en ren, kvadratisk våg till en som är märkbart förvrängd.

Att använda mikrovågor ger många fördelar. Kanske är det viktigaste bland dem hur snabbt metoden ger information om en enhets tillförlitlighet, i den faktiska enheten av intresse, långt innan det faktiskt misslyckas-en möjlighet som inte är tillgänglig med det motståndsbaserade tillvägagångssättet.

"Innan misslyckande kommer det vi kallar en" vilande period "när början på defekter blåser runt genom materialet, som frön i vinden, "Obeng sa." Mikrovågorna visar att denna process sker. Om du bara tittar på materialet med motstånd, du ser inte detta, det är antingen levande eller död. "

Mikrovågor kan avslöja information om defekter så snart som tre dagar efter att testningen påbörjats, medan konventionella tester kan ta månader.

Obeng uppskattar att denna metod kan implementeras fullt ut av industrin inom några år, och kan ge värdefulla insikter.

"Detta tillvägagångssätt skulle ge materialdesigners inblick i vilka material som ska användas i chips och hur man bygger dem, "sa han." Att fatta rätt beslut kan resultera i en slutprodukt som är mer stabil och pålitlig. Detta kommer att ge dem mer information för att fatta dessa beslut. "