裂纹芯片的情况:EFFECT Photonics用仿真揭示制造应力

光收发器可以加速设备和核心光纤网络之间的数据流量,但基于光的信号处理仍然是一种新兴技术。为了开发稳健和经济高效的光学系统(SOC)处理器,效果光子学使用模拟来揭示隐藏在制造过程的每个阶段内部的应力,从而提高产量并防止潜在的故障。


阿兰•Petrillo
2021年9月

职位名称侦探通常用于解决犯罪的人,但工程师也做侦探工作——特别是当他们从事根本原因分析(RCA)时。研究通常包括寻找隐藏的东西;在制造环境中,RCA意味着寻找成品中缺陷的隐藏驱动因素。乐动体育app无法登录EFFECT Photonics的多物理工程师Aly Abdou可以被视为一名RCA侦探:他追踪芯片上光学系统(SoC)处理组件故障的根本原因。

效果光子学的调查方法涉及在制造过程的不同阶段的SOC的应力测试模拟模型。由于光学处理器的显微性质,并且生产它们所需的技术,未完成的SOC的实验实验压力测试实际上是不可能的。这使得Multiphysics模拟对于破解导致光子芯片故障的情况来说是必不可少的。

Abdou说:“当我们看到裂缝、分层或其他问题时,我会进行模拟,以找出可能导致这些问题的原因,特别是如果它们涉及到热机械应力。”他从他的模型中推断出根本原因的方法,对于寻求解决反复出现的组件故障——或从一开始就防止它们发生的工程师来说,既有趣又有指导意义。

光信号处理的光明前景

开发光驱动而不是电驱动的微芯片的动机是什么?电子集成电路技术已经非常先进,在无数的普通产品中都可以找到电子芯片。乐动体育app无法登录但是,现代电子设备的大部分价值来自它们接入全球网络的能力,而光纤是现代数据基础设施的核心(图1)。随着数据流量持续增长,简化整个网络的流量是当务之急。

显示光收发器网络的不同市场的信息图表。
图1所示。目标市场为EFFECT Photonics光收发器。现有网络使用光纤将数据传送到本地网络和单个设备。EFFECT正在开发和销售光密集波分复用(DWDM)组件,以改善边缘网络数据流量的处理。

在某些应用中,光网络收发器可以加速电子数据到光信号的转换,反之亦然。正如Abdou解释的那样,还有其他潜在的好处:“电子技术已经成熟,我们对它了解很多,但我们正接近可能的极限。当芯片上的导体降到15纳米或更低时,光的传输效率可能比电流的传输效率更高。光子学为医疗设备、量子计算和其他用途开辟了许多未来的可能性。从中期来看,我们的光收发器可以成为互联网数据传输的引擎。”

要有基于光的网络收发器

基于荷兰的效果光子学成立于2010年,以追求光学加工技术的商业化。效果是开发所谓的密集波分复用(DWDM)技术,用于将设备和局部网络与商业网络基础设施集成(图2)。他们提出光学DWDM组件可以将网络端口密度提高6倍以上,与当前方法相比,将成本降低40%。

Abdou说:“EFFECT对边缘网络的设想是,我们希望将高性能光学的优势带到边缘,这些优势通常只用于核心网络。”“我们实现这一目标的方法是将光收发器所需的所有元素完全光子集成到单个芯片上。通过这种方式,我们可以为光纤网络的边缘带来高性能而经济的解决方案。”

并排照片显示左侧的光学SOC设备和右侧的模块。
图2.效果光子学光学SOC设备(左)结合到发送和接收具有光信号的数据的模块(右)。

为了使其产品成为数据基础设施的可行乐动体育app无法登录选择,EFFECT正在积极研究如何大规模生产磷化铟处理器。这种被称为InP的材料在光学电路中发挥的作用堪比硅在电子学中的应用。InP是一种直接带隙材料(δ E ~ 1.344 eV),可以将激光器、波长探测器、功率计、调制器和其他基本光学功能集成到单个组件中。然而,尽管全球工业在为电子处理器使用硅方面拥有数十年的经验,而且核心光学数据网络已经使用了InP技术,但用InP大规模生产价格相对低廉的组件的能力仍处于起步阶段。

磷化铟芯片制造的挑战

大量生产inp基元件的困难主要在于材料本身的性质。虽然承诺产品的许多好处和网络,输入是脆弱的和困难的,特别是在规模小的芯片乐动体育app无法登录制造(图3)。影响光子实现其承诺改善整个系统的性能,其制造过程必须存款微米尺寸层可不能破解,脱层,否则失败。这些问题将导致其基于光的网络设备变暗。

3张并排显示光收发器全景图,外部隐藏,以及嵌入模拟芯片组件的爆炸图。
图3。EFFECT光收发器的核心是一个将所有光学系统功能集成到一个InP电路芯片上的处理器。

“集成的光子学设备受到大量热机械应力的影响,特别是在商业应用中,”Abdou说。“他们必须满足行业和政府标准的耐受身体冲击,高湿度和极端温度。例如,一个所需的测试循环芯片在-40°C和85°C温度之间。像这样的条件可以在制造过程中暴露在每个芯片内隐藏的弱点。“(图4)

并排的图像显示了光学处理器和它在制造过程中可能出现的裂缝。
图4。光学处理器(左)容易发生机械故障,如在亚微米尺度上发生的开裂和分层。处理器(右)在制造过程中出现裂缝。通过多物理建模,EFFECT Photonics在制造的每个步骤中模拟作用在这些处理器上的力。

光学处理器的制造增加了生产常规电子芯片的已经形成的挑战。例如,硅可以熔化或焊接在一起,但磷化铟不能。“光学拼接必须在亚微米水平上精确对齐,在温度和定位中具有最小的波动,”Abdou解释。在他们的产品可以提供给更广乐动体育app无法登录泛的市场之前,效果必须克服这些挑战,并实现与现有电子元件相当的制造收益率和产品可靠性。

启用了模拟的线索搜索

一个完整的芯片上的外部应力可能会导致裂纹和分层,但这些可见的故障可能无法揭示其根本原因——芯片组成部分的应力测试也无法进行。“你可以测试单个材料,例如,一个InP晶片,就像你测试硅或金属晶片一样。但如果我们把它们放在一起,让它们相互叠加,我们就会引入其他因素,”Abdou解释道。“我们芯片的光学系统可能会结合10到12层不同的材料。”(图5)

由6幅图像组成的网格显示了光学SoC制造的不同阶段,包括钝化、平面化、覆盖、电镀、粘接和涂层。
图5。光学SoC的制备是一个累积过程。微米级的磷化铟层、电介质层、硅层和金属层以精确的顺序添加。每一种材料的内在压力都可能以意想不到的方式混合。例如,电镀步骤会对组件施加电流,这会影响在上述步骤中添加的材料。

“如果我们在成品中看到一个故障,我们如何知道是哪层,或制造的哪个步骤造成了问题?”生产部分完成的样品用于测试是不实际的。我们生产的每一批晶圆中都有大量的晶圆。我们不能为了验证一个假设而牺牲一整批晶片,所以模拟不仅节省了时间,也节省了成本。我们的根本原因分析过程必须结合各种方法。我们在可能的情况下进行现场实验,然后将这些测试生成的值构建到我们的模拟模型中,”Abdou解释说。

3D和2.5D模型进行针对性调查

正如光学SoC在一个组件中结合多种功能一样,EFFECT Photonics的建模工具包可以执行各种仿真任务。“我的模拟工作的基础是结构力学模块。它包含了大量的方程和边界条件,这将是非常耗费时间的编码,”Abdou说。“相反,我可以依赖COMSOL已经内置的专业知识®软件。”

以这些参数为基础,他可以把值来自实验,材料本身固有的压力,定义(图6)。“一旦我们建立的内在应力出现在一层材料,然后我们可以模拟其他条件可能影响,如热应力,压缩,紧张,等等,”阿卜杜说。“我们可以考虑累积应力,并隔离一层,以测试它可能如何导致更大的问题。”

并排图像显示完整的SOC分量和在制造过程中出现的裂缝的模拟,在COMSOL多体学中的彩虹色表中建模。
图6。完整的组件,显示在制造过程中出现的裂缝(左)。建模组件(右),使可视化的冯米塞斯应力出现在制造过程的早期阶段。颜色较亮的区域承受的压力更大。

例如,为了解决芯片某个特定部分的开裂问题,Abdou创建了一个2.5D模型,一个挤压的2D几何体(图7)。我在软件中将这些图层的效果设置为边界条件,所以即使我删除它们,它们的压力仍然存在。然后我就可以对我想要分析的那一层进行挤压,从而计算出不同材料厚度对应力水平变化的影响。”

光学SoC模型可视化为灰色挤压的二维几何图形,边界上有一条蓝色线。
图7。在模拟作用于组件上的应力后,Abdou创建了一个2.5D模型,用于测试潜在的设计更改。这些对个别部分的更改可以合并到更广泛系统的模型中。这种模拟的迭代使用有助于产生更健壮的最终产品,同时最小化对昂贵的现场原型和测试的需求。

结案:基于模拟的RCA导致更高的制造产量

当单个层的设计发生变化时,它们被转换成边界条件,并合并到整个装配的更大模型中。这里所分享的例子是模拟根本原因分析直接导致的30多个设计和工艺更改之一(图8)。这些更改极大地降低了芯片制造过程中的故障率,并增加了成品的耐久性。乐动体育app无法登录

图8。模拟驱动的设计变化直接导致在制造过程中降低元件的失败率。早期制造批次的开裂部件显示出过度应力区域(左图)。重新设计的组件显示出极大地降低了应力水平(中间)。可用处理器的百分比,或产量,被计算为连续四批制造芯片(右)。在第三和第四批之间进行了重新设计,使制造成品率从87.6%提高到99.5%。

COMSOL的灵活性®软件授权Abdou以节省时间的方式获得他需要的结果。参考图8中的条形图,表明制造产量的增加从约87%到99%以上,他说:“这种改进直接来自我们在2.5D模型中所做的更改。更简单的2D模型不会向我们展示我们需要的内容。这个细节水平的3D模型?好吧,我今天可能仍然在努力。“

进一步通过分析,abdou使用了COMSOL Multiphysics中的应用程序构建器®从他的模型创建应用程序(图9)。应用程序在具有专门输入和输出的模型上提供用户界面。这使得研发团队中的任何人都更容易进行自己的(通常是重复的)分析。构建应用程序有助于确保EFFECT Photonics团队在这个项目上的工作能够跟上正在进行的产品改进。正如Abdou解释的那样:“当我们做出更改时,其他团队成员可以将其纳入他们的工作中,即使他们不是使用COMSOL的专家®."

光学SoC模拟应用程序的截图。
图9. R&D工程师使用效果光子的模拟应用。

网络集成和进一步分析

由效果光子学设计和制造的光学收发器已经被客户部署到当前生成的4G和下一代5G移动网络中。该公司在他们的U.K.工厂上升了生产,目标是在2021年底将其产品释放到更广阔的市场。乐动体育app无法登录

当然,根本原因分析检测的工作永远不会完成。为了确保成功推出,Aly Abdou将他的探测技能(和建模能力)应用于EFFECT收发模块组件的其他部分的热力学分析。为了他的团队及其愿景,他很高兴能继续解开InP制造之谜:“我认为我在正确的时间出现在正确的地方。”