趙世彧

摘要：老化測(cè)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(cè)試。為了避免反復(fù)焊接，不同封裝類型的芯片在老化測(cè)試中由特制的老化測(cè)試座固定在老化板上。本文對(duì)老化測(cè)試座的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并對(duì)當(dāng)前老化測(cè)試座的市場(chǎng)現(xiàn)狀及中國(guó)測(cè)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(cè)試;老化測(cè)試座;質(zhì)量控制;工業(yè)應(yīng)用;市場(chǎng)綜述

引言

大多數(shù)電子產(chǎn)品的故障率隨時(shí)間變化的曲線呈浴盆曲線。工業(yè)界廣泛應(yīng)用老化測(cè)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(jì)的長(zhǎng)期可靠性。

1概述

1.1半導(dǎo)體芯片的老化測(cè)試

半導(dǎo)體器件的可靠性和典型壽命通?？梢杂迷∨枨€來描述。這是一個(gè)產(chǎn)品壽命隨時(shí)間的變化圖形，如圖1所示由三個(gè)關(guān)鍵時(shí)期組成。第一個(gè)時(shí)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(shí)期的失效主要是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、工藝或制造過程中的缺陷和失誤引起的。第二個(gè)時(shí)期正常使用期內(nèi)的失效是隨機(jī)失效，失效率低且相對(duì)恒定。第三個(gè)時(shí)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(cè)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(gè)時(shí)期。老化測(cè)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(cè)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(cè)試的結(jié)果還可以用來預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命并改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造封裝工藝。

1.2老化板和老化測(cè)試座

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

在老化測(cè)試期間，老化板和老化座與被測(cè)芯片一起長(zhǎng)時(shí)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(jì)與普通測(cè)試用的標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板和測(cè)試座非常相似，此外所有材料和元件都應(yīng)符合高溫要求?？煽啃允窃O(shè)計(jì)和制造老化板和老化座時(shí)要考慮的最重要的一個(gè)方面，一定要確保老化板不會(huì)在被測(cè)設(shè)備失效之前出故障。老化板和老化座通常由高級(jí)耐用材料制成。對(duì)于125℃以下的老化測(cè)試，可使用高耐熱的FR4，F(xiàn)R5材料;對(duì)于高達(dá)250℃的較高溫度老化測(cè)試，可使用聚酰亞胺;對(duì)于超過250℃高達(dá)300℃的極高溫度老化測(cè)試，可使用更高等級(jí)的聚酰亞胺。

2老化測(cè)試的分類

產(chǎn)品正常使用的早期故障期從幾天到幾個(gè)月不等。老化測(cè)試通過升溫，增加壓力，提高電壓，或加載動(dòng)態(tài)信號(hào)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(shí)之內(nèi)。常用的老化測(cè)試有靜態(tài)老化，動(dòng)態(tài)老化和帶有實(shí)時(shí)功能監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)老化幾種。老化測(cè)試通?？煞譃槎鄠€(gè)階段進(jìn)行以節(jié)省測(cè)試成本。

靜態(tài)老化測(cè)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?？煞殖傻拓?fù)荷狀態(tài)和高負(fù)荷狀態(tài)兩個(gè)階段進(jìn)行。電子性能的測(cè)試可以在兩個(gè)階段之間或者在兩個(gè)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(jiǎn)單。靜態(tài)老化的主要局限是在測(cè)試集成電路設(shè)備時(shí)的有效性不高。

動(dòng)態(tài)老化測(cè)試是指在升高溫度或電壓的同時(shí)對(duì)電子元器件輸入各種信號(hào)以模擬工作狀態(tài)。動(dòng)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(dòng)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(shí)功能監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)老化測(cè)試主要適用于器件和設(shè)備。在動(dòng)態(tài)老化測(cè)試過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)試可快速確定產(chǎn)品失效與時(shí)間的關(guān)系，并以此優(yōu)化老化測(cè)試的設(shè)計(jì)。在動(dòng)態(tài)老化測(cè)試中使用實(shí)時(shí)輸出監(jiān)測(cè)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在老化周期結(jié)束之后即可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，而無需將產(chǎn)品轉(zhuǎn)接到另外的測(cè)試器中。

在老化測(cè)試期間檢測(cè)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(huì)使產(chǎn)品短期內(nèi)失效。

3老化測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1老化失效預(yù)測(cè)框架

之所以要建立老化失效預(yù)測(cè)框架，主要是因?yàn)殡娐防匣癄顟B(tài)能夠被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即老化電路信息會(huì)直觀顯示，當(dāng)電路老化現(xiàn)象發(fā)生后，那么系統(tǒng)則會(huì)在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，相關(guān)工作人員在警報(bào)的提示下會(huì)全面檢測(cè)，避免電路老化損失持續(xù)擴(kuò)大。設(shè)計(jì)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(cè)是否存在信號(hào)跳變現(xiàn)象，后者主要是用來預(yù)測(cè)、傳遞電路老化信號(hào)，以免發(fā)生電路方面的經(jīng)濟(jì)損失。老化失效預(yù)測(cè)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(cè)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(hào)采樣工作;延時(shí)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(shí)信號(hào);最后一部分的作用即輸出穩(wěn)定信號(hào)，完成信息結(jié)果存儲(chǔ)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(shí)鐘信號(hào)，接下來對(duì)所獲取的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行反向輸出，待延時(shí)時(shí)間產(chǎn)生后，則時(shí)鐘信號(hào)能夠和上述產(chǎn)生的信號(hào)完成邏輯運(yùn)算，最終形成信號(hào)檢測(cè)區(qū)域，針對(duì)邏輯電路獲取的信號(hào)進(jìn)行區(qū)域檢驗(yàn)，以此判斷電路老化。預(yù)測(cè)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(duì)較高，并且監(jiān)測(cè)窗口變化多樣;老化效應(yīng)受結(jié)構(gòu)影響存在差異，個(gè)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(cè)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(gè)觸發(fā)器的輸出信號(hào)均參加邏輯運(yùn)算，最終生成信號(hào)的信號(hào)。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(cè)結(jié)果也會(huì)失去準(zhǔn)確性。應(yīng)用這一電路結(jié)構(gòu)完成采樣活動(dòng)時(shí)，會(huì)不同程度的增加電路使用成本，同時(shí)，還會(huì)降低保護(hù)帶穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)窗口大小得不到合理控制。

結(jié)語

中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)在2019年5月召開的世界半導(dǎo)體大會(huì)上表示2018年中國(guó)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(guó)企業(yè)提供了機(jī)遇。中國(guó)企業(yè)在全球封裝市場(chǎng)占有率已達(dá)到25%，封裝后的老化測(cè)試及相關(guān)技術(shù)設(shè)備市場(chǎng)有很大的發(fā)展空間。中國(guó)的測(cè)試設(shè)備公司在今后的幾年內(nèi)應(yīng)致力于設(shè)計(jì)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(cè)試座以滿足市場(chǎng)需求。

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