Failure Analysis in Transition: An Industry Survey of Challenges, Priorities, and Standardization Needs in Advanced Packaging and Heterogeneous Integration

Stel je voor dat de wereld van computerchips vroeger leek op het repareren van een enkele, platte automotor. Als er iets kapot ging, kon je gemakkelijk de motorkap openen, naar het specifieke onderdeel kijken en het repareren. Dat was "device-level" (op componentniveau) falenanalyse.

Maar tegenwoordig is de chipproductie veranderd, zoals de paper uitlegt. Het is niet langer alleen een platte motor; het is also meer het bouwen van een gigantische, meerverdiepings wolkenkrabber waarbij de kamers op elkaar gestapeld zijn, de muren van verschillende materialen zijn gemaakt en de bedrading diep in het beton verborgen ligt. Dit wordt "heterogene integratie" en "advanced packaging" genoemd.

De auteurs van dit paper hebben ongeveer than 100 experts (ingenieurs, wetenschappers en bedrijfsleiders) ondervraagd met de vraag: "Hoe moeilijk is het om problemen te vinden en op te lossen in deze nieuwe, complexe chip-wolkenkrabbers?"

Dit is wat zij vonden, eenvoudig uitgelegd:

1. Het probleem is naar boven verplaatst

In het verleden keken experts vooral naar defecte onderdelen binnen een enkele chip. Nu laat de enquête zien dat 69% van het werk gaat over de "wolkenkrabber" zelf—de manier waarop verschillende chips op elkaar gestapeld, gelijmd en verbonden zijn.

• De analogie: Het is niet langer genoeg om te controleren of er een enkel lampje doorgebrand is. Je moet uitzoeken of het probleem zit in de bedrading in de muur, de druk van het zetten van het gebouw, of hoe twee verschillende verdiepingen met elkaar verbonden zijn.
• Het resultaat: Experts beoordelden "Package & Heterogeneous Integration" als het belangrijkste gebied om op te focussen (met een score van 7,92 uit 10), zelfs belangrijker dan het kijken naar de minuscule transistoren zelf.

2. De "Hybrid Bonding" nachtmerrie

De enquête vroeg: "Wat is de moeilijkste nieuwe technologie om te analyseren?"

• De winnaar: Hybrid Bonding (het perfect aan elkaar lijmen van twee chips op microscopisch niveau) werd door 54% van de respondenten genoemd als de grootste uitdaging.
• De analogie: Stel je voor dat je twee stukken glas zo perfect aan elkaar lijmt dat ze één geheel worden, maar je moet dan ook nog een minuscuul luchtbelletje vinden dat ín de lijm gevangen zit zonder het glas te breken. Als je het glas probeert open te snijden om te kijken, kun je het belletje misschien verbrijzelen of het glas vervormen, waardoor het onmogelijk wordt om te zien wat er precies misging.
• Andere uitdagingen: "Backside Power Delivery" (stroomlijnen die aan de achterkant van de chip verborgen zitten) en "Gate-All-Around" devices (kleine 3D-structuren) werden ook als zeer moeilijk aangemerkt omdat je ze niet gemakkelijk kunt aanraken of zien zonder ze te beschadigen.

3. Het "Niet Breken"-dilemma

Een van de grootste knelpunten is de Sample Preparation (monsterpreparatie). Om naar een defecte chip te kijken, moet je deze meestal open snijden (deprocessen).

• Het probleem: Bij deze nieuwe complexe chips kan het opensnijden van de chip de situatie veranderen. Het is alsof je een lek in een onder druk staande leiding probeert te vinden door de leiding door te snijden; het water spuit dan alle kanten op en je kunt niet meer zien waar de oorspronkelijke lekkage zat.
• De vraag: 72% van de experts wil betere Non-Destructive Imaging (niet-destructieve beeldvorming). Ze willen in de "wolkenkrabber" kunnen kijken met hoogwaardige röntgenstraling of scanners zonder deze eerst open te snijden. Ze willen diep in het gebouw kunnen kijken zonder een muur neer te halen.

4. De noodzaak voor een gemeenschappelijke taal (Standaardisatie)

Op dit moment gebruiken verschillende teams verschillende instrumenten en spreken ze verschillende "talen" wanneer ze een probleem vinden. De data van het ene team komt niet overeen met die van het andere.

• De consensus: 83% van de ondervraagde mensen zei dat de industrie wanhopig behoefte heeft aan gestandaardiseerde datakaders.
• De analogie: Stel je een team van architecten, loodgieters en elektriciens voor die proberen een gebouw te repareren, maar de architect tekent in inches, de loodgieter in centimeters en de elektricien gebruikt een geheime code. Ze kunnen niet met elkaar communiceren. De enquête zegt dat we een universele regelset nodig hebben zodat de data van iedereen perfect op elkaar aansluit.

5. De toekomst: AI en betere ogen

Wanneer werd gevraagd wat processen het meest zou versnellen, was het hoogste antwoord Higher-Resolution Non-Destructive Imaging (met een score van 8,18/10).

• De rol van AI: Kunstmatige Intelligentie (AI) werd gezien als een nuttige assistent, maar alleen als de data schoon en gestandaardiseerd is. Je kunt een robot niet leren een gebouw te repareren als de blauwdrukken slordig zijn.
• Het doel: De toekomst draait niet alleen om betere microscopen; het draait om een gecoördineerd systeem waarbij we in de chip kunnen kijken zonder deze te breken, deze alleen voorzichtig open snijden wanneer dat strikt noodzakelijk is, en alle data georganiseerd hebben zodat AI en mensen samenwerken om de grondoorzaak te vinden.

Samenvatting

De paper concludeert dat het repareren van defecte chips niet langer een eenvoudige taak is van "het vinden van het kapotte onderdeel". Het is een complexe detective-story geworden waarbij 3D-structuren, begraven draden en fragiele materialen betrokken zijn. Om dit op te lossen, heeft de industrie het volgende nodig:

1. Betere ogen die diep van binnen kunnen kijken zonder dingen te breken.
2. Een gemeenschappelijke taal (standaardisatie) zodat iedereen effectief data kan delen.
3. Een verschuiving in focus van alleen de minuscule chip naar het volledige "package" en de manier waarop deze in het systeem past.

De survey-data wordt in de appendix van de paper verstrekt om transparantie te garanderen, wat aantoont dat dit een echte, industrie-brede verschuiving is en niet slechts een theorie.