열 사이클링 하에서 실리콘 관통 비아의 신뢰성 및 수명 평가
소환
Viljanto, H. (2015). 열 사이클링 하의 Through-Silicon Vias의 신뢰성 및 수명 평가(석사 학위 논문, Aalto University, School of Electrical Engineering).
짧은
이 석사학위 논문은 FEM 및 Weibull 분석과 같은 기술을 사용하여 다양한 설계 선택이 신뢰성에 미치는 영향을 조사하고, 신뢰성 테스트를 수행하고, 오류를 분석함으로써 열 사이클링에서 구리 충전 실리콘 관통 전극(TSV)의 신뢰성과 수명에 대한 연구를 제시합니다.
요약
이 석사 논문은 구리로 채워진 Through-Silicon Vias(TSV)의 신뢰성을 조사합니다. TSV는 3차원 집적 회로(3D IC)에서 스택된 칩을 연결하는 데 사용되는 수직 전기 연결입니다. 이 논문은 TSV 제조 공정, 신뢰성 과제 및 고장 메커니즘에 대한 문헌 검토를 제시하고 부분적으로 구리로 채워진 테이퍼형 블라인드 TSV의 수명과 신뢰성에 대한 실험 연구를 수행합니다.
문헌 검토에서는 TSV의 다음과 같은 주요 측면을 다룹니다.
- 제조 공정: 본 논문에서는 비아 에칭, 절연 및 차단층 증착, 비아 채우기 등 TSV 생성에 필요한 단계를 설명합니다.
- 신뢰성 과제: TSV 제작은 비아의 높은 종횡비로 인해 다양한 과제를 안고 있습니다. 이 논문은 이러한 과제가 절연 및 배리어 층의 품질에 어떤 영향을 미치는지 논의하며, 잠재적으로 전기 누설과 같은 문제로 이어질 수 있습니다.
- 고장 메커니즘: 본 논문에서는 TSV의 일반적인 고장 메커니즘, 예를 들어 활성 실리콘 영역으로의 구리 확산, 절연 층의 유전 파괴, 전기 이동, 열 응력 등을 살펴본다.
실험 연구에는 여러 구성 요소가 포함되었습니다.
- 열 사이클링 테스트: 420개의 비아를 가진 6개와 1400개의 비아를 가진 3개의 샘플, 총 9개의 샘플이 열 사이클링 테스트를 거쳤습니다. 이 테스트는 저항 변화를 측정하여 TSV의 수명과 신뢰성을 평가하는 것을 목표로 했습니다. 개방 회로가 발생하면 샘플이 실패로 표시되었습니다.
- 저항 측정: 이 연구는 열 사이클링 동안 저항 측정을 기록했습니다. 비아가 더 많은 샘플은 비아가 적은 샘플보다 예상치 못하게 내구성이 더 높았습니다. 대부분의 샘플에서 데이지 체인 루프에서 저항이 지속적으로 증가하여 결함이 점진적으로 형성되고 확산되었음을 시사합니다.
- 와이블 분석: 이 통계적 방법은 열 사이클링 테스트의 데이터를 분석하고 TSV의 수명을 추정하는 데 사용되었습니다. 1400개의 비아가 있는 칩의 제한된 샘플 크기는 이 그룹에 대한 분석의 신뢰성을 방해했습니다. 그러나 분석은 420개의 비아가 있는 샘플에 대해 의미 있는 결과를 산출했습니다.
- FEM 시뮬레이션: 유한 요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용하여 TSV 구조 내의 응력 분포를 모델링했습니다. 시뮬레이션은 비아 하단의 구리와 이산화규소 층의 교차점을 가장 취약한 고장 지점으로 일관되게 식별했습니다.
- SEM 이미징: 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 테스트 샘플을 시각적으로 검사하고 고장 지점을 식별했습니다. 관찰된 고장은 FEM 시뮬레이션에서 예측한 중요 영역과 일치했습니다.
연구 결과에 따르면 테스트된 테이퍼형 환형 TSV는 균열 형성 및 전파에 취약하여 궁극적으로 고장으로 이어진다는 것을 보여줍니다. 이 취약성은 테스트된 TSV의 특정 설계 및 제조 공정과 관련이 있을 가능성이 높습니다. 이 논문은 TSV 고장 메커니즘에 대한 보다 포괄적인 이해를 얻기 위해 더 큰 샘플 크기와 고급 이미징 기술을 사용한 추가 연구의 중요성을 강조하면서 결론을 내립니다.
출처: https://aaltodoc.aalto.fi/server/api/core/bitstreams/8c7673c9-c9a5-4b88-8d54-9a46a8c8fe19/content