研究人员国家标准与技术研究所(NIST)已经发明了一种测试多层三维计算机芯片的新方法，这种芯片现在出现在一些最新的消费设备中。这种新方法可能是半导体行业需要快速评估这种相对较新的芯片结构模型的可靠性的答案。这种模型将平面电路层层叠加，就像建筑物的地板一样，以帮助芯片生产得更快，功能更丰富。
上图中的这些“眼睛”图揭示了数字信号中存在多少噪声。随着信号的噪声增大，它的特征形状变得扭曲，中心变小，所以它就像一个闭着的眼睛。NIST的新型3d芯片测试方法是让微波穿过芯片材料，使研究人员能够快速检测出可能产生噪声的缺陷，并使图从顶部清晰的睁大眼睛的图像变为底部扭曲的斜视图像。资料来源:Y. Obeng和N. Hanacek/NIST。
这种方法克服了传统芯片测试方法在所谓的3d芯片上的局限性，传统的3d芯片包括许多薄的水平“层”，通过称为穿过衬底通孔(TSVs)的垂直通道相互连接。这些tsv对3d芯片的运行至关重要，经过业界几十年的持续发展，3d芯片在过去几年才具有商业可行性。
有了NIST的新测试方法，芯片设计师可能有了一种更好的方法来最小化“电迁移”的影响。“电迁移”是芯片故障的长期原因，其根源在于持续不断的流动电子流对携带它们的脆弱电路造成的磨损。NIST的方法可以让设计人员更快地提前探索芯片材料的性能，从而提供更多的，几乎是实时的洞察，什么材料最适合3d芯片。
“我们的工作表明，可能会更快地发现微观故障，”NIST的研究化学家和领导Yaw Obeng说新兴集成系统的计量学项目。“我们不用等几个月，只要几天或几个小时就能知道它何时会发生。您可以在材料选择阶段运行我们的测试，以了解加工将如何影响最终产品。如果你看不出来，你可能会做出错误的决定。”
如果一个3d芯片是一座高层建筑，那么tsv就是它的电梯。它们帮助3d芯片完成三个基本功能:加速、缩小和冷却。通过允许不同楼层的元素相互通信，信号不再需要通过一个相对庞大的2d芯片传输，这意味着计算速度更快，电子在移动时加热的导电材料也少得多。
除了这些优点，tsv也有一个缺点:它们的可靠性很难用传统的方法来测试，传统的方法需要让直流电通过导体并等待其电阻发生变化。这是非常耗时的，需要几周甚至几个月的时间来显示结果。芯片行业需要一种新的测量方法，既快速又现实，这样就能揭示实际穿过导体的高速信号所受的影响。
NIST的新测试方法通过材料发送微波，并测量信号的数量和质量的变化。他们的测试装置模拟了真实的条件，反复加热和冷却材料，导致它产生缺陷，随着时间的推移，微波信号的强度下降，从一个干净的方形波衰减为一个明显扭曲的波。
使用微波有多重好处。也许其中最主要的原因是，在实际设备失效之前，这种方法提供设备可靠性信息的速度有多快——这在基于电阻的方法中是无法实现的。
奥本说:“在失效之前，会有一段我们称为‘静默期’的时期，缺陷的开始在材料中四处蔓延，就像风中的种子一样。”“微波显示了这个过程的发生。如果你只是用电阻观察材料，你看不到这个，它要么是活的，要么是死的。”
微波可以在测试开始后三天内显示缺陷信息，而传统测试可能需要数月时间。
奥本估计，这种方法可以在几年内被工业完全实施，并可以提供有价值的见解。
他说:“这种方法将使材料设计师深入了解在芯片中使用什么材料以及如何制造它们。”“做出正确的决定可以使最终产品更加稳定和可靠。这将给他们提供更多的信息来做出这些决定。”
论文:C.E. Sunday, D. Veksler, K.C.张和Y.S. Obeng。先进互连体电迁移敏感性的微波评价。应用物理学报．2017年11月7日在线出版。DOI:10.1063/1.4992135