AI กำลังปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมเซมิคอนดักเตอร์ — และนี่คือแนวทางที่การทดสอบทางกลต้องพัฒนา
ปัญญาประดิษฐ์ไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของซอฟต์แวร์อีกต่อไป ปัจจุบัน AI กำลังเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์อย่างสิ้นเชิง เมื่อภาระงานของ AI เพิ่มขึ้น ความต้องการด้านพลังงานในการประมวลผล แบนด์วิดท์ของหน่วยความจำ และประสิทธิภาพการใช้พลังงานก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย — และการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์กำลังตอบสนองด้วยการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่
อุตสาหกรรมกำลังก้าวข้ามการขยายขนาดทรานซิสเตอร์แบบดั้งเดิม และมุ่งเน้นไปที่นวัตกรรมในระดับระบบ ในปัจจุบัน การปรับปรุงประสิทธิภาพมาจากบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง วัสดุใหม่ และการรวมส่วนประกอบประเภทต่างๆ เข้าด้วยกัน การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้ได้อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ก็มีความซับซ้อนมากขึ้นด้วย — โดยมีส่วนต่อประสานและจุดที่อาจเกิดความล้มเหลวมากขึ้น ซึ่งต้องใช้วิธีการทดสอบที่ล้ำสมัยและใช้งานได้จริง
จากชิปแบบ Monolithic สู่ระบบรวมแบบ 3 มิติ
ปัจจุบันอุปกรณ์สมัยใหม่ถูกสร้างขึ้นด้วยสถาปัตยกรรมบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง โดยพัฒนาจากชิป 2 มิติแบบดั้งเดิมไปสู่การออกแบบ 2.5 มิติที่ใช้ชิปเล็ต (Chiplets) และอินเตอร์โพเซอร์ (Interposers) และในที่สุดก็ไปสู่ อุปกรณ์ที่วางซ้อนกันแบบ 3 มิติอย่างเต็มรูปแบบ การออกแบบใหม่เหล่านี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการวางหน่วยประมวลผล หน่วยความจำ และการเชื่อมต่อให้ใกล้กันมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการรวมคุณสมบัติต่างๆ ไว้ในบรรจุภัณฑ์เดียวมากขึ้น จำนวนส่วนต่อประสานและจุดที่อาจเกิดความล้มเหลวก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
การเปลี่ยนแปลงนี้ยังนำมาซึ่งออปติกแบบ Co-packaged และชั้นวัสดุที่ซับซ้อน ซึ่งเปลี่ยน "บรรจุภัณฑ์" ให้กลายเป็นระบบที่มีการบูรณาการสูง ด้วยเหตุนี้ การทดสอบจึงต้องก้าวไปไกลกว่าการตรวจสอบส่วนประกอบแต่ละชิ้น และหันมาใช้วิธีการที่สะท้อนถึงประสิทธิภาพของทั้งระบบภายใต้สภาวะการใช้งานจริง
ระบบทดสอบอเนกประสงค์ Instron® ซีรีส์ 6800 ถูกสร้างขึ้นเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงนี้ โดยเชื่อมโยงการทดสอบวัสดุในระดับส่วนประกอบและการตรวจสอบความน่าเชื่อถือในระดับระบบไว้บนแพลตฟอร์มเดียวที่กำหนดค่าได้ อุปกรณ์จับยึด อุปกรณ์ติดตั้ง และอุปกรณ์เสริมด้านสภาวะแวดล้อมที่ถอดเปลี่ยนได้ ช่วยให้วิศวกรสามารถปรับตัวเข้ากับสถาปัตยกรรมใหม่ๆ ได้โดยไม่ต้องลงทุนในอุปกรณ์ใหม่ทั้งหมด
วัสดุใหม่ที่ขับเคลื่อนนวัตกรรม — และความท้าทายใหม่
เพื่อรองรับการรวมระบบแบบ 3 มิติ ผู้ผลิตกำลังนำวัสดุใหม่ๆ มาใช้ เช่น สารยึดติดขั้นสูง วัสดุเชื่อมต่อในการจัดการความร้อน (TIMs) และฐานรองที่เป็นแก้ว สิ่งเหล่านี้ช่วยให้การออกแบบมีขนาดใหญ่ขึ้นและบูรณาการได้มากขึ้น พร้อมประสิทธิภาพการจัดการความร้อนที่ดีขึ้น แต่ก็นำมาซึ่งความเสี่ยงใหม่ๆ ที่ต้องใช้วิธีการทดสอบที่เฉพาะเจาะจง
ความท้าทายหลัก ได้แก่:
- ความไม่สอดคล้องกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) ในแต่ละชั้น
- การบิดงอและการสะสมของความเค้น
- ความเสี่ยงในการแตกหักในวัสดุที่เปราะบาง เช่น แก้ว
- ความไวต่อวงจรความร้อนและสภาวะแวดล้อม
รูปแบบความเสียหายแต่ละประเภทเหล่านี้ต้องการวิธีการทดสอบที่แตกต่างกัน การทดสอบแรงดึง แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของสารยึดติดภายใต้ภาระการดึงออก การทดสอบการดัดงอ ประเมินพฤติกรรมการแตกหักบนวัสดุฐานรองที่เปราะ การทดสอบแรงเฉือนจะประเมินความสมบูรณ์ของส่วนต่อประสานที่ยึดติดกัน Instron ซีรีส์ 6800 สามารถรองรับการทดสอบทั้งหมดนี้ได้ในเครื่องเดียวโดยใช้ อุปกรณ์จับยึดและอุปกรณ์ติดตั้ง ที่ถอดเปลี่ยนได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อชุดวัสดุมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและรอบการรับรองสั้นลง
การจัดการความร้อนในฐานะข้อจำกัดหลักของการออกแบบ
เนื่องจากอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วย AI ผลักดันให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น การจัดการความร้อนจึงกลายเป็นหนึ่งในข้อจำกัดที่สำคัญที่สุดในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ ในบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงที่มีการรวมไดหลายตัวและส่วนประกอบออปติกเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา ความร้อนจะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปแบบการวางซ้อนที่การระบายความร้อนมีจำกัด
การทดสอบต้องจำลองสภาวะการใช้งานจริงมากกว่าการทดสอบในสภาวะแวดล้อมปกติเพียงอย่างเดียว ซึ่งหมายถึงการรวมวงจรความร้อนเข้ากับความเค้นทางกล และการบันทึกการตอบสนองของวัสดุต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉพาะจุดเมื่อเวลาผ่านไป
ตู้ควบคุมสภาวะแวดล้อม แบบบูรณาการที่จับคู่กับระบบทดสอบของ Instron ช่วยให้วิศวกรสามารถระบุคุณลักษณะของสารยึดติด TIM และส่วนต่อประสานที่ยึดติดกันภายใต้ภาระทางความร้อนและทางกลพร้อมกัน ซึ่งเป็นสภาวะที่วัสดุเหล่านี้ต้องเผชิญจริงในการใช้งาน แนวทางที่ผสมผสานนี้จะเผยให้เห็นรูปแบบความเสียหายที่การทดสอบในสภาวะปกติเพียงอย่างเดียวอาจตรวจไม่พบ
ก้าวข้ามการทดสอบส่วนประกอบสู่การจำลองสถานการณ์จริง
การทดสอบได้เปลี่ยนจากการวัดคุณสมบัติของวัสดุแบบแยกส่วน มาเป็นการทำความเข้าใจว่าวัสดุทำงานอย่างไรในสภาพแวดล้อมการใช้งานจริง ปัจจุบันวิศวกรต้องการคำตอบที่ไม่ใช่แค่ "วัสดุนี้แข็งแรงแค่ไหน" แต่เป็น "วัสดุนี้มีพฤติกรรมอย่างไรในการประกอบนี้ ภายใต้ภาระเหล่านี้ และที่อุณหภูมินี้"
วิธีการทดสอบเฉพาะด้าน ได้แก่:
- การทดสอบแรงเฉือนของได (Die shear testing) เพื่อความสมบูรณ์ของจุดเชื่อมต่อและสารยึดติด
- การทดสอบการดัดงอระดับไมโคร (Micro-bend testing) เพื่อประเมินความแข็งแรงของไดและพฤติกรรมการแตกหัก
- การทดสอบการดัดงอของ PCB และ บรรจุภัณฑ์ เพื่อจำลองความเค้นในการประกอบและการใช้งาน
อุปกรณ์ติดตั้งเฉพาะทาง — รวมถึงอุปกรณ์ติดตั้ง แรงเฉือนของได และ การดัดงอระดับไมโคร ของ Instron — ช่วยให้การทดสอบเหล่านี้เป็นไปได้โดยการจัดตำแหน่งที่แม่นยำและการวางตำแหน่งที่ทำซ้ำได้ตามที่การวัดเหล่านี้ต้องการ เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับระบบทดสอบอเนกประสงค์ของ Instron จึงสามารถสลับระหว่างวิธีการทดสอบได้อย่างรวดเร็วในระบบเดียว ช่วยลดจำนวนเครื่องมือเฉพาะทางที่จำเป็นและเร่งระยะเวลาการรับรองให้เร็วขึ้น
ข้อมูลมัลติฟิสิกส์: การทดสอบพฤติกรรมทางกล ความร้อน ไฟฟ้า และออปติกไปพร้อมกัน
เมื่อระบบเซมิคอนดักเตอร์มีความซับซ้อนมากขึ้น การทดสอบจะต้องบันทึกพฤติกรรมในหลายด้านพร้อมกัน การวัดการตอบสนองทางกลเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพออีกต่อไป วิศวกรจำเป็นต้องเข้าใจว่าแรง การกระจัด อุณหภูมิ ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า และคุณภาพของสัญญาณออปติกมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร
สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งในระบบที่รวมซิลิคอนโฟโตนิกส์และออปติกแบบ Co-packaged เข้าด้วยกัน ส่วนประกอบออปติกต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำอย่างยิ่ง แม้แต่การเปลี่ยนแปลงทางกลเพียงเล็กน้อยที่เกิดจากการขยายตัวทางความร้อนหรือความเค้นในการประกอบก็สามารถทำให้การส่งสัญญาณลดลงได้ ในระบบ AI ที่รวมออปติกเข้ากับส่วนประกอบพลังงานสูง ความไม่สอดคล้องกันของ CTE ระหว่างวัสดุอาจทำให้เกิดการคลาดเคลื่อนของการจัดตำแหน่งอย่างต่อเนื่องผ่านวงจรความร้อนที่ซ้ำกัน ซึ่งเป็นรูปแบบความเสียหายที่จะเห็นได้ชัดเจนก็ต่อเมื่อมีการวิเคราะห์ข้อมูลทางกลและทางออปติกพร้อมกันเท่านั้น
ระบบของ Instron ที่ควบคุมโดยซอฟต์แวร์ Bluehill® Universal ช่วยแก้ปัญหานี้โดยตรง Bluehill ช่วยให้สามารถรับข้อมูลทางกล ความร้อน ไฟฟ้า และออปติกที่สอดประสานกันได้แบบเรียลไทม์ — พร้อมลำดับการทดสอบอัตโนมัติ รายงานที่ส่งออกได้ และ การรองรับการรวมเซนเซอร์จากภายนอก วิศวกรสามารถระบุรูปแบบความเสียหายที่เกี่ยวเนื่องกัน ตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองการจำลอง และสร้างภาพรวมของพฤติกรรมของระบบจากการทดสอบเพียงครั้งเดียว
การขยายขนาดการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์สำหรับการผลิตปริมาณมาก
การเติบโตของโครงสร้างพื้นฐาน AI กำลังขับเคลื่อนปริมาณการผลิตที่สูงขึ้น สร้างแรงกดดันให้ผู้ผลิตต้องทดสอบตัวอย่างจำนวนมากขึ้นและเร็วขึ้นโดยไม่สูญเสียคุณภาพของข้อมูล เมื่อความซับซ้อนเพิ่มขึ้น ขั้นตอนการทดสอบด้วยตนเองจะกลายเป็นคอขวด — ทำให้เกิดความแปรปรวนจากผู้ปฏิบัติงานและจำกัดปริมาณงาน
ระบบอัตโนมัติคือปัจจัยสำคัญ เทคโนโลยีต่างๆ เช่น แท่นวาง XY อัตโนมัติ ช่วยให้สามารถทดสอบซ้ำได้ในปริมาณมากโดยใช้ผู้ปฏิบัติงานน้อยที่สุด เมื่อรวมกับลำดับการทดสอบอัตโนมัติใน Bluehill Automation ระบบเหล่านี้จะรองรับการทดสอบแบบต่อเนื่องหรือแบบไม่ต้องมีผู้ดูแล — รักษาความสม่ำเสมอของข้อมูลในการผลิตปริมาณมาก
สำหรับผู้ผลิตที่กำลังขยายการผลิตฮาร์ดแวร์ AI การผสมผสานระหว่างแพลตฟอร์มการทดสอบอเนกประสงค์เข้ากับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่พร้อมสำหรับระบบอัตโนมัติ หมายความว่าขีดความสามารถในการทดสอบสามารถเติบโตไปพร้อมกับปริมาณการผลิตโดยไม่ต้องเพิ่มต้นทุนหรือพนักงานในสัดส่วนที่เท่ากัน
แพลตฟอร์มที่กำหนดค่าได้สำหรับอุตสาหกรรมที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว
นวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังเร่งตัวขึ้น วัสดุ สถาปัตยกรรม และแนวทางการบูรณาการใหม่ๆ เกิดขึ้นเร็วกว่าที่ห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่จะตามทัน — และการเพิ่มอุปกรณ์เฉพาะทางสำหรับทุกความต้องการในการทดสอบใหม่นั้นไม่ใช่แนวทางที่ใช้งานได้จริง ในสภาพแวดล้อมเช่นนี้ แพลตฟอร์มที่กำหนดค่าได้เพียงหนึ่งเดียวที่สามารถขยายเพื่อตอบสนองความต้องการใหม่ๆ ได้ มอบข้อได้เปรียบที่มีความหมายเหนือกว่าการสะสมเครื่องมือที่ใช้งานได้เพียงอย่างเดียวที่เพิ่มจำนวนขึ้นเรื่อยๆ
ซีรีส์ 6800 ได้รับการออกแบบมาเพื่อความเป็นจริงนี้ — ด้วยอุปกรณ์ติดตั้งและอุปกรณ์จับยึดที่ถอดเปลี่ยนได้ ตู้ควบคุมสภาวะแวดล้อมแบบบูรณาการ การรองรับการรวมเซนเซอร์จากภายนอก และฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ พร้อมสำหรับระบบอัตโนมัติ ตั้งแต่อุปกรณ์ติดตั้ง แรงเฉือนของได และ การดัดงอระดับไมโคร สำหรับการใช้งานไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ไปจนถึงการประกอบระดับระบบเต็มรูปแบบที่ทดสอบภายใต้ภาระทางความร้อนและทางกลร่วมกัน แพลตฟอร์มเดียวสามารถจัดการได้ครอบคลุมทั้งหมด
ในขณะที่ AI ยังคงผลักดันขอบเขตความสามารถของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ การทดสอบต้องก้าวให้ทัน: มีการบูรณาการมากขึ้น เฉพาะเจาะจงกับการใช้งานมากขึ้น และสร้างขึ้นเพื่อรองรับการขยายตัว แพลตฟอร์มแบบโมดูลาร์ของ Instron — ตั้งแต่ เครื่องทดสอบอเนกประสงค์ ไปจนถึงอุปกรณ์ติดตั้งเฉพาะทางและ ซอฟต์แวร์ Bluehill — ได้รับการออกแบบมาเพื่อเติบโตไปพร้อมกับนวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ช่วยให้ทีมวิศวกรมีความมั่นใจว่าข้อมูลความน่าเชื่อถือของพวกเขาสะท้อนถึงโลกแห่งความเป็นจริง
สมัครรับข้อมูลข่าวสารล่าสุดจาก Instron
ติดตามเทรนด์อุตสาหกรรม มาตรฐานการทดสอบ การประยุกต์ใช้งาน เคล็ดลับและเทคนิค และอื่นๆ อีกมากมาย!
สำรวจโซลูชันของ Instron สำหรับการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์
ตั้งแต่แพลตฟอร์มไปจนถึงอุปกรณ์ติดตั้งและซอฟต์แวร์ Instron มีเครื่องมือที่วิศวกรเซมิคอนดักเตอร์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ต้องการเพื่อการทดสอบด้วยความมั่นใจ
ซีรีส์ 6800 สามารถกำหนดค่าสำหรับการทดสอบแรงดึง แรงอัด แรงเฉือน และการดัดงอในวัสดุ ส่วนประกอบ และชุดประกอบต่างๆ
อุปกรณ์ติดตั้งแรงเฉือนของไดและการดัดงอระดับไมโคร ตู้ควบคุมอุณหภูมิ และโซลูชันระบบอัตโนมัติสำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์
การรับข้อมูลมัลติฟิสิกส์ที่สอดประสานกัน ลำดับการทดสอบอัตโนมัติ และรายงานที่ส่งออกได้ — ทั้งหมดในแพลตฟอร์มเดียว
หรือ
พูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญของ Instron
รับคำแนะนำเฉพาะด้านสำหรับการท้าทายในการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์ของคุณ
เกี่ยวกับผู้เขียน
Phil Levesque
Phil Levesque เป็นผู้จัดการตลาดอิเล็กทรอนิกส์ของ Instron ซึ่งมีประสบการณ์มากกว่า 13 ปีในการทดสอบวัสดุทั้งในด้านวิศวกรรมและการพัฒนาตลาด ในฐานะอดีตหัวหน้าวิศวกร Phil ได้นำโครงการต่างๆ มากมาย ครอบคลุมตั้งแต่การออกแบบอุปกรณ์ติดตั้งแบบกำหนดเอง ระบบอัตโนมัติ และการพัฒนาแอปพลิเคชันสำหรับระบบทดสอบอเนกประสงค์ของ Instron — สร้างความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับความท้าทายและข้อกำหนดที่เป็นเอกลักษณ์ของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ ในปัจจุบัน เขาใช้ความเชี่ยวชาญจากการปฏิบัติจริงนั้นเพื่อช่วยให้ลูกค้าพัฒนากลยุทธ์การทดสอบที่ก้าวทันนวัตกรรมอันรวดเร็วที่กำลังปรับเปลี่ยนตลาด