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解析IC供应商如何提高产品稳定性?

  • 李佳玲

图1:模块化PXI平台为测试应用提供可调整的高密度解决方案。

半导体业长久以来一直倚赖稳定性测试,确保其装置能在特定使用期间维持必要效能。 随著IC制造商不断推出装置尺寸愈见精简的全新创新制程,业者需要确保这些变更所衍生的额外复杂性不会影响到自家IC的长期稳定性。 此外,有监于自动驾驶、云端资料储存与生命科学等领域的重要科技趋势,IC供应商不得不开始提供客户更高的产品稳定性保证,帮助他们顺利进行关键任务应用。

这两大趋势使得半导体制造商必须大幅增加所收集的稳定性资料量并加以分析,同时还必须设法降低测试成本。在面临以更低成本取得更多资料的难题下,许多稳定性工程师发现传统的稳定性解决方案已经不敷使用,因此他们开始转向模块化解决方案,藉由弹性地扩充规模以因应需求。

图 2:典型的装置稳定性模型。

1. 稳定性测试

装置稳定性模型通常在运行一段期间后会出现失败率,其中最高的失败率会在制造完成后立即出现,并在产品超出有用的使用寿命后再度出现。图2左侧显示失败情况通常是由制造瑕疵所引起。生产过程中,这类型的失败可藉由筛选剔除,有效减少寄送至客户端的瑕疵零件数量。不过,生产期间所进行的功能测试非但无法找出导致装置提早磨耗的瑕疵,也无法为产品使用寿命提出建设性观点。另一方面,稳定性测试却可辨识出这类失败机制,并预估产品的使用寿命。

稳定性测试涉及在装置的规格内进行极限应力测试(通常针对电压与温度),藉此加速装置磨耗 并依据已知的失败机制建立使用寿命模型。这类测试可在晶圆或封装零件上进行。晶圆级稳定性(WLR)无须额外成本即可在制造流程初期提供更多资料,且不会对IC切割及封装作业造成任何损伤。

2. 晶圆级稳定性

WLR之类的参数型测试能够撷取装置使用寿命及长期稳定性相关信息。这类测试通常不会在开发中的实际IC上进行,而是在内建于晶圆内,以收集参数资料专用的测试结构组合或专门压铸模上进行。 这类测试结构由晶体管、电容器与电阻器之类的基础晶圆元素所组成,用以对制造流程提供建设性观点。大多数的WLR测试会在过程中应用电压或电流之类的应力,然后量测装置响应以监控任何衰变征兆。常用的失败机制包括偏移或负偏移温度不稳定性(BTI或NBTI)、热载波注入(HCI)、时间相依介电崩溃(TDDB)与电迁移效应 (EM)。

3. 打造 WLR 系统的传统方式

数十年来,WLR系统不管在量测功能与架构上都有不同。 专业的WLR系统可能涉及高频率AC或脉冲激源;不过,大多数CMOS装置则是透过DC仪器来测试,例如电源量测单元(SMU),以便在收集参数资料时提供必要的应力与量测功能。 打造WLR系统的两种主要方 式,有可能是打造传统仪控箱之类的机架堆叠系统,或是购买专门的现成系统。

机架堆叠系统:SMU是种高精确度DC仪器,一般来说费用昂贵,以致于您可以置入标准测试机架内的通道数量受到限制。在这些限制下,SMU通常会结合低泄漏切换矩阵以将讯号从SMU绕送至数十个测试点,同时有效减少继电器所衍生的相关杂讯、漏电流与热 EMF。此方法在连续测试小量测试结构时可发挥功用,产生具有统计意义的稳定性资料。 此外,就仪控箱而言,每个通道成本一般介于$5,000至$10,000美元,且受限于19寸测试机架仅有20或40个通道。由此看来,切换矩阵是个非常实用的延伸功能。而在众人对继电器的效能期望下,切换子系统通常只是WLR系统中占比庞大且价格不斐的元件。

现成系统:替代方案则是购买专门的现成系统,这类系统预先封装了各项必须元件,例如微波炉、测试机架、仪器与软件等。以您的测试需求为基准来测试设备功能,虽然省下开发与集成时间,却需要投入大量资金。这类系统通常以固定通道数量、硬件规格及软件来打造,并由厂商负责维护。系统厂商可能会将晶圆及封装稳定性系统分开贩售,或是无视测试需求差异而销售相同系统来因应不同的应用需求。了解SMU方案详细,请至NI SMU活动网下载白皮书了解,并有机会抽中电影票。



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