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寧波艾德生儀器有限公司
主營產(chǎn)品： 高溫恒溫試驗箱/恒溫試驗箱/恒溫恒濕試驗機/恒溫恒濕設(shè)備/恒溫恒濕機組 |
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主營產(chǎn)品： 高溫恒溫試驗箱/恒溫試驗箱/恒溫恒濕試驗機/恒溫恒濕設(shè)備/恒溫恒濕機組 |
2024-10-25
為了達到滿意的合格率，幾乎所有產(chǎn)品在出廠前都要先經(jīng)過老化。制造商如何才能夠在不縮減老化時間的條件下提高其效率？本文介紹在老化過程中進行功能測試的新方案，以降低和縮短老化過程所帶來的成本和時間問題。 （艾德生儀器有限公司 整理）
在半導(dǎo)體業(yè)界，器件的老化問題一直存在各種爭論。像其他產(chǎn)品一樣，半導(dǎo)體隨時可能因為各種原因而出現(xiàn)故障，老化就是通過讓半導(dǎo)體進行超負荷工作而使缺陷在短時間內(nèi)出現(xiàn)，避免在使用早期發(fā)生故障。如果不經(jīng)過老化，很多半導(dǎo)體成品由于器件和制造工藝復(fù)雜性等原因在使用中會產(chǎn)生很多問題。
在開始使用后的幾小時到幾天之內(nèi)出現(xiàn)的缺陷（取決于制造工藝的成熟程度和器件總體結(jié)構(gòu)）稱為早期故障，老化之后的器件基本上要求99%通過這段時間。準(zhǔn)確確定老化時間的*方法是參照以前收集到的老化故障及故障分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而大多數(shù)生產(chǎn)廠商則希望減少或者取消老化。
老化工藝必須要確保工廠的產(chǎn)品滿足用戶對可靠性的要求，除此之外，它還必須能提供工程數(shù)據(jù)以便用來改進器件的性能測試
一般來講，老化工藝通過工作環(huán)境和電氣性能兩方面對半導(dǎo)體器件進行苛刻的試驗使故障盡早出現(xiàn)，典型的半導(dǎo)體壽命曲線如圖1。由圖可見，主要故障都出現(xiàn)在器件壽命周期開始和zui后的十分之一階段。老化就是加快器件在其壽命*%部分的運行過程，迫使早期故障在更短的時間內(nèi)出現(xiàn)，通常是幾小時而不用幾月或幾年。
不是所有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商對所有器件都需要進行老化。普通器件制造由于對生產(chǎn)工藝比較了解，因此可以預(yù)先掌握經(jīng)過統(tǒng)計得出的失效預(yù)計值。如果實際故障率高于預(yù)期值，就需要再作老化，提高實際可靠性以滿足用戶的要求。
本文介紹的老化方法與10年前幾乎一樣，不同之處僅僅在于如何更好地利用老化時間。提高溫度、增加動態(tài)信號輸入以及把工作電壓提高到正常值以上等等，這些都是加快故障出現(xiàn)的通常做法；但如果在老化過程中進行測試，則老化成本可以分攤一部分到功能測試上，而且通過對故障點的監(jiān)測還能收集到一些有用信息，從總體上節(jié)省生產(chǎn)成本，另外，這些信息經(jīng)統(tǒng)計后還可證明找出某個器件所有早期故障所需的時間是否合適。
過去的老化系統(tǒng)
進行老化的*個原因是為了提高半導(dǎo)體器件的可靠性，目前為止還沒有其他的替代方法。老化依然是在高溫室（通常125℃左右）內(nèi)進行，給器件加上電子偏壓，大部分時候還使用動態(tài)驅(qū)動信號。
很多公司想減少或者全部取消老化，但是他們又找不到其他可靠的替代方法能夠在產(chǎn)品到達客戶之前把有早期故障的剔除掉，所以看來老化還會長久存在下去。半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商另外也希望通過老化做更多的事，而不是浪費寶貴時間被動地等待元件送來做老化。
過去的老化系統(tǒng)設(shè)計比較簡單。10年以前，老化就是把一個器件插入老化板，再把老化板放入老化室，給老化板加上直流偏壓（靜態(tài)老化）并升高溫度，168個小時之后將器件取出進行測試。如果經(jīng)99%測試后仍然性能完好，就可以保證器件質(zhì)量可靠并將其發(fā)送給用戶。
如果器件在老化時出現(xiàn)故障，則會被送去故障分析實驗室進行分析，這可能會需要幾周的時間。實驗室提供的資料將用來對設(shè)計和生產(chǎn)工藝進行細微調(diào)節(jié)，但這也表明對可能出現(xiàn)的嚴重故障采取補救措施之前生產(chǎn)已進行了幾個星期。目前工程師們找了一些方法，對器件進行長時間錯誤覆蓋率很高的老化，甚至還對器件作一些測試。但遺憾的是沒有人能解決老化的根本問題，即減少成本與時間。于是半導(dǎo)體制造商們采用了另一種老化方式：在老化中進行功能測試。
為什么要在老化時進行測試
在老化階段進行半導(dǎo)體測試之所以有意義有多種原因，在探討這些原因之前，我們首先要明確“測試"的真正含義。
一般半導(dǎo)體測試要用到昂貴的高速自動測試設(shè)備，在一個電性能條件可調(diào)的測試臺上對半導(dǎo)體作測試。它還可以在標(biāo)稱性能范圍之外進行，完成功能（邏輯）和參數(shù)（速度）方面的測試，像信號升降時間之類的參數(shù)可到皮秒級。也許是因為可控測試環(huán)境只有一個器件作為電性負載，所以信號轉(zhuǎn)換很快，能夠進行真實的器件響應(yīng)參數(shù)測量。
但在老化的時候，為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量是能夠同時對盡可能多的器件作老化。為滿足這一要求，可把多個器件裝在一個大的印刷線路板上，這個板稱為老化板，它上面的所有器件都并聯(lián)在一起。大型老化板的物理電氣特性不能和只測試一個器件的小測試臺相比，因為老化板上的容性和感性負載會給速度測試帶來麻煩。所以我們通常無法用老化進行所有功能測試。不過在某些情況下，運用特殊的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)在老化環(huán)境下進行速度測試也是可能的。
老化系統(tǒng)中的“測試"可以指任何方面，從對每一器件每一管腳進行基本信號測試，到對老化板上的所有器件作幾乎99%功能測試，這一切均視器件復(fù)雜性及所選用的老化測試系統(tǒng)而定?？梢哉f對任何器件進行99%功能測試都是可以做得到的，但是這樣采用的方法可能會減少老化板上的器件密度，從而增加整體成本并降低產(chǎn)量。
在老化中進行測試的好處有：
1． 將耗時的功能測試移到老化中可以節(jié)約昂貴的高速測試儀器的時間。如果老化后只進行參數(shù)測試及很少的功能測試，那么用現(xiàn)有設(shè)備可測試更多器件，*一點即可抵消因采用老化測試方案而發(fā)生的費用。
2． 達到預(yù)期故障率的實際老化時間相對更短。過去器件進行老化時都要先經(jīng)過168小時，這是人們期望發(fā)現(xiàn)所有早期故障的標(biāo)準(zhǔn)起始時間，而這是因為手頭沒有新器件數(shù)據(jù)所致。在隨后的半年期間，這個時間會不斷縮短，直到用實驗和誤差分析方法得到實際所需的老化時間為止。在老化同時進行測試則可以通過檢查老化系統(tǒng)生成的實時記錄及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的故障。盡快掌握老化時間可提高產(chǎn)量，降低器件成本。
3． 及時對生產(chǎn)工藝作出反饋。器件故障有時直接對應(yīng)于某個制造工藝或者某生產(chǎn)設(shè)備，在故障發(fā)生時及時了解信息可立刻解決可能存在的工藝缺陷，避免制造出大量不合格產(chǎn)品。
4． 確保老化的運行情況與期望相符。通過監(jiān)測老化板上的每個器件，可在老化一開始時就先更換已經(jīng)壞了的器件，這樣使用者可確保老化板和老化系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)想的狀況運行，沒有產(chǎn)能上的浪費。
存儲器老化
存儲器老化和測試的線路實現(xiàn)起來相對簡單一些，所有器件通過統(tǒng)一方式寫入，然后單獨選中每個器件，將其存入的數(shù)據(jù)讀出并與原來的值對照。由于具有控制和數(shù)據(jù)采集軟件以及故障數(shù)據(jù)評估報告算法，所以存儲器老化測試對生產(chǎn)商非常有用。
大多數(shù)存儲器件支持多個選通引腳，因而老化測試系統(tǒng)采用簇方式讀回數(shù)據(jù)。某些系統(tǒng)具有很寬的數(shù)據(jù)總線，每一簇可同時讀取多個器件，再由電腦主機或類似的機器對器件進行劃分。增加老化板上的并行信號數(shù)量可提高速度，減少同一條并行信號線所連器件數(shù)，并且降低板子和器件的負載特性。
·易失性存儲器（DRAM和SRAM）
易失性存儲器測試起來是zui簡單的，因為它無需特殊算法或時序就可進行多次擦寫。一般是所有器件先同時寫入，然后輪流選中每個器件，讀回數(shù)據(jù)并進行比較。
由于在老化時可重復(fù)進行慢速的刷新測試，因此DRAM老化測試能夠為后測工藝節(jié)省大量時間。刷新測試要求先將數(shù)據(jù)寫入存儲器，再等待一段時間使有缺陷的存儲單元放電，然后從存儲器中讀回數(shù)據(jù)，找出有缺陷的存儲單元。將這部分測試放入老化意味著老化后的測試工藝不必再進行這種很費時的檢測，從而節(jié)省了時間。
·非易失性存儲器（EPROM和EEPROM）
非易失性存儲器測試起來比較困難，這是因為在寫入之前必須先將里面的內(nèi)容擦除，這樣使得系統(tǒng)算法更困難一些，通常還必須使用特殊電壓來進行擦除。不過其測試方法基本上是相同的：把數(shù)據(jù)寫入存儲器再用更復(fù)雜的算法將其讀回。
老化測試系統(tǒng)性能
有許多因素會影響老化測試系統(tǒng)的整體性能，下面是一些主要方面：
1．首先是測試方法的選擇。理想的情況是器件在老化工藝上花費的時間zui少，這樣可以提高總體產(chǎn)量。惡劣的電性能條件有助于故障加速出現(xiàn)，因此能快速進行反復(fù)測試的系統(tǒng)可減少總體老化時間。每單位時間里內(nèi)部節(jié)點切換次數(shù)越多，器件受到的考驗就越大，故障也就出現(xiàn)得更快。
2．老化板互連性、PCB設(shè)計以及偏置電路的復(fù)雜性。老化測試系統(tǒng)可能被有些人稱為高速測試，但是，如果機械連接或老化板本身特性會削弱信號質(zhì)量，那么測試速度將會是一個問題。如像過多機電性連接會增大整個系統(tǒng)的總電容和電感、老化板設(shè)計不良會產(chǎn)生噪聲和串?dāng)_、而很差的引腳驅(qū)動器設(shè)計則會使快速信號沿所需的驅(qū)動電流大小受到限制等等，這些都僅是一部分影響速度的瓶頸，另外由于負載過大并存在阻抗、電路偏置以及保護元件值的選擇等也會使老化的性能受到影響。
3．計算機接口與數(shù)據(jù)采集方式。有些老化測試系統(tǒng)采用分區(qū)方法，一個數(shù)據(jù)采集主機控制多個老化板，另外有些系統(tǒng)則是單板式采集。從實際情況來看，單板式方法可以采集到更多數(shù)據(jù)，而且可能還具有更大的測試產(chǎn)量。
4．對高速測試儀程序的下載及轉(zhuǎn)換能力。有些老化測試系統(tǒng)有自己的測試語言，對需要做99%節(jié)點切換的被測器件不用再開發(fā)程序；而有些系統(tǒng)能夠把高速測試儀程序直接轉(zhuǎn)換到老化應(yīng)用上，可以在老化過程中進行更準(zhǔn)確的測試。
5．系統(tǒng)提供參數(shù)測試的能力。如果老化測試系統(tǒng)能進行一些速度測試，那么還可得到其他一些相關(guān)失效數(shù)據(jù)以進行可靠性研究，這也有助于精簡老化后測試工藝。
6．根據(jù)時間動態(tài)改變測試參數(shù)的能力，如電壓與頻率。如果老化測試系統(tǒng)能夠即時改變參數(shù)，則可以加快通常屬于產(chǎn)品壽命后期階段故障的出現(xiàn)。對于某些器件結(jié)構(gòu)，直流電壓偏置及動態(tài)信號的功率變動都可加速出現(xiàn)晚期壽命故障。
7．計算機主機與測試系統(tǒng)之間的通信。由于功能測試程序非常長，因此測試硬件的設(shè)計應(yīng)盡可能提高速度。一些系統(tǒng)使用較慢的串行通信，如RS-232C或者類似協(xié)議，而另一些系統(tǒng)則使用雙向并行總線系統(tǒng)，大大提高了數(shù)據(jù)流通率。
結(jié)束語
在老化過程中進行測試會帶來一些成本問題，但zui困難的是找出一個測試方法完成器件所有可能的測試項目。
對邏輯產(chǎn)品而言，JTAG法是一種zui通用的老化測試方式，因為器件上的測試端口是一致的，這樣老化硬件線路就可保持不變。
對存儲器而言，在小批量情況下，是能有一種對易失性和非易失性存儲器都能進行處理的測試系統(tǒng)；而在大批量情況下，則是采用不同的系統(tǒng)以降低成本。
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