Reliability studies of ultra-small copper-plated through-package-vias in ultra-thin glass interposers
Ultra-ince cam aracılarda ultra-küçük bakır-kaplamalı paket yollarının güvenilirlik çalışmaları
- Tez No: 782581
- Danışmanlar: PROF. DR. RAO TUMMALA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Georgia Institute of Technology
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 234
Özet
Yüksek ara bağlantı yoğunlukları ve bileşenler arasındaki ultra-kısa ara bağlantılar ile daha yüksek bant genişliği için artan talep, mikro elektronik paket yenilikleri için önemli bir itici güç olmuştur. Böyle bir uygulama, bir işlemci paketindeki mantık ve bellek cihazları arasındaki yüksek bant genişliği gereksinimidir. Diğer örnekler, çeşitli aktif ve pasif bileşenler arasındaki ultra kısa ara bağlantılardan en düşük parazite sahip mm dalga paketlerini içerir. Yenilikçi 3B aracılar ve paketler, düşük güç ve düşük maliyetle bu kadar yüksek bant genişliği elde etmek için umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkıyor. Gelişmekte olan panel fan-out paket mimarileri de gömülü kalıp ve sistem bileşenlerinin geri kalanı arasındaki yüksek geçiş yoğunlukları tarafından yönlendirilmektedir. Bunların ana unsuru, aracının bir tarafındaki bileşenleri diğer tarafa dikey olarak bağlamak için ultra-küçük paket geçişlerine (TPV'ler) sahip ince bir alt tabakadır. 3D paketleme için mevcut yaklaşım, öncelikle organik veya silikon aracılara dayanmaktadır. Bununla birlikte, organik aracılar, kablolamayı ve Giriş/Çıkış(G/Ç) yoğunluğunu sınırlayan zayıf boyutsal kararlılıkları nedeniyle çeşitli zorluklarla karşılaşır. Hat arkası (BEOL) silikon devre levhası işlemleriyle yapılan silikon aracılar, gerekli kablolama ve G/Ç yoğunluğunu elde edebilir, ancak bunlar, pahalı silikon geçişli işlemler nedeniyle uygun maliyetli değildir ve silikon substratın yarı iletken doğası sebebiyle daha yüksek elektrik kaybı sergilerler. Cam, yüksek yoğunluklu G/Ç sağlayan yüksek boyutsal kararlılığı ve düşük elektrik kaybına yol açan yüksek elektrik direnci nedeniyle organik ve silikon aracılara karşı üstün ve düşük maliyetli bir alternatif olarak ortaya çıkıyor. Ancak cam kırılgan bir malzemedir. Özellikle çıplak cam yüzeylerdeki doğal cam kusurları, delme sırasında oluşan kusurlarla daha da bozulabilen zayıf mekanik dayanıklılığa yol açar. Ayrıca, bakır ve cam arasındaki termal genleşme katsayısı (CTE) uyuşmazlığı, TPV'lerde kohezif çatlama ve ara yüzey ayrımı gibi çeşitli güvenilirlik sorunlarına yol açabilen termomekanik gerilimlere neden olur. Cam aracılarda bakır kaplamalı paket yolların güvenilirliği bu araştırmanın temel odak noktasını oluşturmaktadır. Araştırmanın amacı, kusurların karakterizasyonu için test araçlarının üretimine yol gösteren bakır kaplamalı paket geçişlerini modellemek ve tasarlamak ve hızlandırılmış ömür testi yoluyla güvenilirliğin gösterilmesiyle modellerin doğrulanmasını sağlamaktır. Bu hedeflere ulaşmak için, bu çalışma dört ana göreve odaklanır, a) camda TPV'lerin mekanik modellemesi ve tasarımı, b) güvenilirlik karakterizasyonu için test araçlarının imalatı, c) TPV'lerin güvenilirlik karakterizasyonu ve d) modelleri doğrulamak için test sonuçlarının ve hatalarının analizi. Güvenilir TPV'ler için tasarım yönergeleri sağlamak üzere TPV'lerin kapsamlı parametrik modellemesi gerçekleştirilmiştir. Üç cam paket yapısı incelenmektedir: polimer lamine cam, çıplak cam ve polimer astarlı TPV'ler. Her üç yapıya sahip test araçları tasarlanmış ve üretilmiştir. Test araçlarını imal etmek için excimer, UV, CO2 lazerler ve elektrik deşarj teknikleri gibi çeşitli TPV oluşturma yaklaşımları kullanılmıştır. Bu yöntemlerin her biri ile oluşturulan TPV'lerin kalitesi, her bir yönteme karşılık gelen karakteristik kusur boyutlarını ve geometrilerini belirlemek için enine kesit SEM görüntüleme yoluyla analiz edilmiştir. TPV güvenilirliğini incelemek için termo-mekanik güvenilirlik testleri ve başarısızlık analizleri yapılmıştır. Mikro Raman spektroskopisi ilk kez cam ambalajlardaki gerilmeleri ölçmek için kullanılmıştır. Test aracı karakterizasyonundan elde edilen sonuçlar, modelleme tahminleriyle tutarlı olduğu gösterilmiştir ve böylece güvenilir TPV'lerin üretimi için geçerli bir tasarım kuralları seti oluşturulmuştur. Dolayısıyla bu tez, ultra-ince cam aracılarda bakır kaplı ultra-küçük paket geçişlerinin güvenilirliğine ilişkin ilk kapsamlı çalışmayı teşkil etmektedir.
Özet (Çeviri)
The escalating demand for higher bandwidth with high interconnection densities and ultra-short interconnections between components has been a key driver for package innovations. One such application is the high bandwidth between logic and memory devices in a processor package. Other examples include mm wave packages with lowest parasitics from ultra-short interconnections between various active and passive components. Innovative 3D interposers and packages are emerging as a promising solution to achieve such high bandwidth with low power and low cost. Emerging panel fan-out package architectures are also driven by high via densities between the embedded die and the rest of the system components. A key element of these is a thin substrate with ultra-small through-package-vias (TPVs) to vertically connect the components on one side of the interposer to the other side. The current approach for 3D packaging is primarily based on organic or silicon interposers. However, organic interposers face several challenges due to their poor dimensional stability, limiting the wiring and I/O density. Silicon interposers made with back-end-of-line (BEOL) wafer processes can achieve the required wiring and I/O density, but they are not cost effective due to expensive through-silicon-via processes, and they exhibit higher electrical loss due to the semiconducting nature of the Si substrate. Glass is emerging as a superior and low-cost alternative to organic and silicon interposers due to its high dimensional stability enabling high density I/O and high electrical resistivity leading to low electrical loss. However, glass is a brittle material. Inherent glass defects, especially on the bare glass surfaces, lead to poor mechanical strength that can be further degraded by defects formed during via drilling. Furthermore, the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between copper and glass induces thermomechanical stresses in TPVs which may lead to various reliability issues such as cohesive cracking and interfacial separation. Reliability of copper-plated through-package-vias in glass interposers forms the fundamental focus of this research. The objective of the research is to model and design copper-plated through-package-vias, leading to fabrication of test vehicles for characterization of defects, and validation of models by demonstration of reliability through accelerated lifetime testing. To meet these objectives, this study focuses on four main tasks, a) mechanical modeling and design of TPVs in glass, b) fabrication of test vehicles for reliability characterization, c) reliability characterization of TPVs, and d) analysis of failures to validate the models. Extensive parametric modeling of TPVs is performed to provide design guidelines for reliable TPVs. Three glass package structures are investigated: polymer-laminated glass, bare glass, and TPVs with polymer-liner. Test-vehicles with all the three structures are designed and fabricated. Various TPV formation approaches such as excimer, UV, CO2 lasers and electrical discharge techniques were utilized to fabricate the test-vehicles. Quality of TPVs formed with each of these methods are analyzed through cross-section SEM imaging to identify characteristic defect sizes and geometries corresponding to each method. Thermo-mechanical reliability tests and failure analyses are performed to study TPV reliability. Micro Raman spectroscopy was used to measure stresses in glass packages for the first time. The results from test-vehicle characterization are consistent with the modeling predictions, thus providing a valid set of design rules for manufacturing of reliable TPVs. This thesis, thus, reports the first comprehensive study on reliability of copper-plated ultra-small through-package-vias in ultra-thin glass interposers.
Benzer Tezler
- Offloading decision with mobility-aware for mobile edge computing in 5G networks
5g şebekesinde mobil kenar bilgi işlem için mobilite bilinci ile aktarma kararları
SAEID JAHANDAR BONAB
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERGEN
- Timely throughput maximization using multiple access channel
Çoklu erişim kanalı kullanarak zamanında verim maksimizasyonu
ONUR BERKAY GAMGAM
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EZHAN KARAŞAN
- The fracability evaluation of Dadaş shale in Southeastern Turkey based on its geomechanical properties
Güneydoğu Türkiye'deki Dadaş şeylinin jeomekanik özelliklerine göre çatlatılabilirlik değerlendirmesi
OĞUZ CİHANER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BETÜL YILDIRIM
- Kağıt fabrikası atık suyunun geri kullanımı
Paper machine wastewater reuse
RECEP AKAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜLKER BEKER
- An investigation into hydrophobic micro-textured surfaces on heat transfer and surface wetting phenomenon during vapor condensation
Hidrofobik mikro-talaşlanmış yüzeylerde buhar yoğuşmasında oluşan ısı transferi ve yüzey ıslanma olgusunun incelenmesi
THAMER KHALIF SALEM SALEM
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
DR. METE BUDAKLI