半導(dǎo)體芯片老化測試座的應(yīng)用及市場綜述

趙世彧

摘要：老化測試是芯片在交付客戶使用之前用以剔除早期失效產(chǎn)品的一項(xiàng)重要測試。為了避免反復(fù)焊接，不同封裝類型的芯片在老化測試中由特制的老化測試座固定在老化板上。本文對老化測試座的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并對當(dāng)前老化測試座的市場現(xiàn)狀及中國測試設(shè)備公司的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體芯片測試;老化測試座;質(zhì)量控制;工業(yè)應(yīng)用;市場綜述

引言

大多數(shù)電子產(chǎn)品的故障率隨時間變化的曲線呈浴盆曲線。工業(yè)界廣泛應(yīng)用老化測試來加速老化以剔除出現(xiàn)早期故障的產(chǎn)品并確保新電子產(chǎn)品設(shè)計的長期可靠性。

1概述

1.1半導(dǎo)體芯片的老化測試

半導(dǎo)體器件的可靠性和典型壽命通常可以用浴盆曲線來描述。這是一個產(chǎn)品壽命隨時間的變化圖形，如圖1所示由三個關(guān)鍵時期組成。第一個時期是早期失效期，特點(diǎn)是產(chǎn)品失效率起始值很高，隨后急速下降。這一時期的失效主要是由產(chǎn)品設(shè)計、材料、工藝或制造過程中的缺陷和失誤引起的。第二個時期正常使用期內(nèi)的失效是隨機(jī)失效，失效率低且相對恒定。第三個時期失效率逐漸增加，這是由于疲勞而導(dǎo)致的損耗失效。

為了在交付使用之前剔除可能在早期失效的產(chǎn)品，通常需要進(jìn)行老化測試。將產(chǎn)品置于高的溫度和電壓等極端操作條件下運(yùn)行，以加速通過浴盆曲線上的第一個時期。老化測試是保證在產(chǎn)品使用壽命期間減少失效，提高產(chǎn)品可靠性的有效做法。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，經(jīng)過老化測試篩選的很多產(chǎn)品的每百萬缺陷品數(shù)DPPM（DefectivePartsPerMillion）可接近于零。老化測試的結(jié)果還可以用來預(yù)測產(chǎn)品的使用壽命并改進(jìn)設(shè)計和制造封裝工藝。

1.2老化板和老化測試座

芯片設(shè)計的時候通常需要設(shè)計一些測試鏈以備測試時使用。測試有很多種，分階段進(jìn)行且工序繁雜，大致分為晶圓測試和封裝后芯片成品測試。老化測試是在封裝后進(jìn)行的加速壽命測試，主要包括在高溫高壓條件下進(jìn)行的電壓測試，電流測試，時序特性測試和功能測試等。為了避免芯片測試時的反復(fù)焊接，需要根據(jù)芯片的封裝類型專門設(shè)計測試插座并將測試座安裝在測試電路板上進(jìn)行生產(chǎn)測試。每塊測試電路板上可以排列幾十個甚至上百個測試座。測試座下面頂針構(gòu)成的陣列與芯片的封裝類型相匹配，測試時由自動機(jī)械手將芯片裝入測試座中進(jìn)行測試。

在老化測試期間，老化板和老化座與被測芯片一起長時間處在最高額定工作條件的電流電壓和溫度下，甚至工作條件可以超出最高額定值，例如極端情況下老化室的溫度可達(dá)到250oC或300oC。老化板和老化座的設(shè)計與普通測試用的標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板和測試座非常相似，此外所有材料和元件都應(yīng)符合高溫要求。可靠性是設(shè)計和制造老化板和老化座時要考慮的最重要的一個方面，一定要確保老化板不會在被測設(shè)備失效之前出故障。老化板和老化座通常由高級耐用材料制成。對于125℃以下的老化測試，可使用高耐熱的FR4，F(xiàn)R5材料;對于高達(dá)250℃的較高溫度老化測試，可使用聚酰亞胺;對于超過250℃高達(dá)300℃的極高溫度老化測試，可使用更高等級的聚酰亞胺。

2老化測試的分類

產(chǎn)品正常使用的早期故障期從幾天到幾個月不等。老化測試通過升溫，增加壓力，提高電壓，或加載動態(tài)信號等方法模擬極端的工作條件，可以將早期故障期縮短到幾天甚至幾小時之內(nèi)。常用的老化測試有靜態(tài)老化，動態(tài)老化和帶有實(shí)時功能監(jiān)測的動態(tài)老化幾種。老化測試通常可分為多個階段進(jìn)行以節(jié)省測試成本。

靜態(tài)老化測試是指通過升高溫度或電壓將非工作狀態(tài)的電子元器件暴露在極端溫度和電壓下加速老化。靜態(tài)老化通常可分成低負(fù)荷狀態(tài)和高負(fù)荷狀態(tài)兩個階段進(jìn)行。電子性能的測試可以在兩個階段之間或者在兩個階段完成之后進(jìn)行。靜態(tài)老化的優(yōu)點(diǎn)是成本低且操作簡單。靜態(tài)老化的主要局限是在測試集成電路設(shè)備時的有效性不高。

動態(tài)老化測試是指在升高溫度或電壓的同時對電子元器件輸入各種信號以模擬工作狀態(tài)。動態(tài)老化的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)﹄娮悠骷懈嗟膬?nèi)部電路加載，從而誘導(dǎo)出額外的故障機(jī)制。動態(tài)老化的主要局限是無法完全模擬實(shí)際使用過程中遇到的真實(shí)情況。

帶有實(shí)時功能監(jiān)測的動態(tài)老化測試主要適用于器件和設(shè)備。在動態(tài)老化測試過程中實(shí)時監(jiān)測主要輸出數(shù)據(jù)以驗(yàn)證器件和設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。這種類型的老化測試可快速確定產(chǎn)品失效與時間的關(guān)系，并以此優(yōu)化老化測試的設(shè)計。在動態(tài)老化測試中使用實(shí)時輸出監(jiān)測的另一個優(yōu)點(diǎn)是能夠在老化周期結(jié)束之后即可對產(chǎn)品進(jìn)行測試，而無需將產(chǎn)品轉(zhuǎn)接到另外的測試器中。

在老化測試期間檢測到的常見故障有介電故障，導(dǎo)體故障和金屬涂層故障等。這些故障在加速老化條件下會使產(chǎn)品短期內(nèi)失效。

3老化測試結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1老化失效預(yù)測框架

之所以要建立老化失效預(yù)測框架，主要是因?yàn)殡娐防匣癄顟B(tài)能夠被實(shí)時監(jiān)測，即老化電路信息會直觀顯示，當(dāng)電路老化現(xiàn)象發(fā)生后，那么系統(tǒng)則會在第一時間發(fā)出警報，相關(guān)工作人員在警報的提示下會全面檢測，避免電路老化損失持續(xù)擴(kuò)大。設(shè)計框架的過程中，組成部分主要包括兩方面，第一方面即監(jiān)控塊，第二方面即觸發(fā)器，前者主要是用來檢測是否存在信號跳變現(xiàn)象，后者主要是用來預(yù)測、傳遞電路老化信號，以免發(fā)生電路方面的經(jīng)濟(jì)損失。老化失效預(yù)測框架具有良好的應(yīng)用前景，相關(guān)學(xué)者應(yīng)在這一方面深入探究，大大提高預(yù)測框架的應(yīng)用率。

3.2穩(wěn)定校驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)

電路結(jié)構(gòu)校驗(yàn)的過程中常用穩(wěn)定校驗(yàn)器這一裝置，除了這一裝置屬于老化傳感器的組成部分之外，還包括輸出鎖存器、延遲單元兩部分，其中，穩(wěn)定校驗(yàn)器能夠完成信號采樣工作;延時單元在保護(hù)帶間隔方面起著重要作用，它主要用來產(chǎn)生延時信號;最后一部分的作用即輸出穩(wěn)定信號，完成信息結(jié)果存儲這一工作。老化傳感器實(shí)際應(yīng)用的過程中，首先要獲取時鐘信號，接下來對所獲取的時鐘信號進(jìn)行反向輸出，待延時時間產(chǎn)生后，則時鐘信號能夠和上述產(chǎn)生的信號完成邏輯運(yùn)算，最終形成信號檢測區(qū)域，針對邏輯電路獲取的信號進(jìn)行區(qū)域檢驗(yàn)，以此判斷電路老化。預(yù)測穩(wěn)定性檢驗(yàn)電路實(shí)際應(yīng)用的過程中存在一定問題，其中，延遲單元的應(yīng)用成本相對較高，并且監(jiān)測窗口變化多樣;老化效應(yīng)受結(jié)構(gòu)影響存在差異，個別老化效應(yīng)具有隱蔽性。

3.3先前采樣電路結(jié)構(gòu)

電路結(jié)構(gòu)采樣的過程中，應(yīng)用預(yù)測先前采樣電路結(jié)構(gòu)完成采樣任務(wù)，這一結(jié)構(gòu)的組成框架主要包括系統(tǒng)觸發(fā)器、預(yù)采樣觸發(fā)器兩部分，兩個觸發(fā)器的輸出信號均參加邏輯運(yùn)算，最終生成信號的信號。由于這兩種觸發(fā)器存在相似的老化效應(yīng)，進(jìn)而在延遲單元的作用下，極易出現(xiàn)老化路徑隱藏現(xiàn)象，最終影響保護(hù)帶的穩(wěn)定性，預(yù)測結(jié)果也會失去準(zhǔn)確性。應(yīng)用這一電路結(jié)構(gòu)完成采樣活動時，會不同程度的增加電路使用成本，同時，還會降低保護(hù)帶穩(wěn)定性，監(jiān)測窗口大小得不到合理控制。

結(jié)語

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會在2019年5月召開的世界半導(dǎo)體大會上表示2018年中國集成電路進(jìn)口額已超過3000億美元。今后技術(shù)和設(shè)備的自主化將變得更加重要，這也給中國企業(yè)提供了機(jī)遇。中國企業(yè)在全球封裝市場占有率已達(dá)到25%，封裝后的老化測試及相關(guān)技術(shù)設(shè)備市場有很大的發(fā)展空間。中國的測試設(shè)備公司在今后的幾年內(nèi)應(yīng)致力于設(shè)計研發(fā)和批量生產(chǎn)，為最新的封裝器件提供可靠的老化測試座以滿足市場需求。

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