電子元器件的老化測試

為了達(dá)到滿意的合格率，幾乎所有的產(chǎn)品在出廠前都要先進(jìn)行老化。制造商如何才能夠在不縮減老化時(shí)間的條件下提高其效率？本文將詳細(xì)介紹在老化過程中進(jìn)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(shí)間問題。

在半導(dǎo)體行業(yè)，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(shí)間可能因?yàn)楦鞣N原因而出現(xiàn)故障，老化就是藉由讓半導(dǎo)體進(jìn)行超負(fù)荷工作而使缺陷在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，避免在使用早期發(fā)生故障。如果不藉由老化，很多半導(dǎo)體成品由于器件和制造過程復(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(shí)到幾天之內(nèi)出現(xiàn)的缺陷稱為早期故障，老化之后的器件基本上要求100%消除由這段時(shí)間造成的故障。準(zhǔn)確確定老化時(shí)間的唯一方法是參照以前收集到的老化故障及故障分析統(tǒng)計(jì)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。

老化過程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(jìn)器件的性能。一般來講，老化過程藉由工作環(huán)境和電氣性能兩方面對半導(dǎo)體器件進(jìn)行苛刻的試驗(yàn)使故障盡早出現(xiàn)。主要故障都出現(xiàn)在器件壽命周期開始和最后的十分之一階段。老化就是加快器件在其壽命前10%部分的運(yùn)行過程。迫使早期故障在更短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，通常是幾小時(shí)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(jìn)行老化。普通器件制造由于對生產(chǎn)過程比較了解，因此可以預(yù)先掌握藉由統(tǒng)計(jì)得出的失效預(yù)計(jì)值。如果實(shí)際故障高于預(yù)期值，就需要再做老化，提高實(shí)際可靠性以滿足用戶的要求。 

本文介紹的老化方法與十年前幾乎一樣，不同之處僅僅在于如何更好地利用老化時(shí)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(jìn)行測試，則老化成本可以分?jǐn)傄徊糠值焦δ軠y試上，而且藉由對故障點(diǎn)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(jì)后還可證明找出某個(gè)器件所有早期故障所需的時(shí)間是否合適。過去的老化系統(tǒng)進(jìn)行老化的第一個(gè)原因是為了提高半導(dǎo)體器件的可靠性，目前為止還沒有其它的替代方法。老化依然是在高溫室內(nèi)進(jìn)行，給器件加上電子偏壓，大部分時(shí)候還是用動態(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它可靠的替代方法能夠在產(chǎn)品到達(dá)客戶之前把有早期故障的剔除掉，所有看來老化還會長久存在下去。半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商另外也希望藉由老化做更多的事，而不是浪費(fèi)寶貴時(shí)間被動地等待組件送來做老化。過去的老化系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡單。10年以前，老化就是把一個(gè)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并升高溫度，168個(gè)小時(shí)之后將器件取出進(jìn)行測試。如果經(jīng)100%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(shí)出現(xiàn)故障，則會被送去故障分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，這可能會需要幾周的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)將用來對設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，但這也表明對可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障采取補(bǔ)救措施之前生產(chǎn)已進(jìn)行了幾個(gè)星期。目前工程師們找了一些方法，對器件進(jìn)行長時(shí)間錯誤覆蓋率很高的老化，甚至還對器件做一些測試。但遺憾的是沒有人能解決老化的根本問題，即減少成本與實(shí)踐。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(jìn)行功能測試。

為什么要在老化時(shí)進(jìn)行測試

在老化階段進(jìn)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度自動測試系統(tǒng)，在一個(gè)電性能條件可調(diào)的測試臺上對半導(dǎo)體做測試。它還可疑在標(biāo)稱性能范圍之外進(jìn)行，完成功能和參數(shù)方面的測試，像信號升降時(shí)間子類的參數(shù)可精確到皮秒級。也許是因?yàn)榭煽販y試環(huán)境只有一個(gè)器件作為電性負(fù)載，所以信號轉(zhuǎn)換很快，能夠進(jìn)行真實(shí)的器件響應(yīng)參數(shù)測量。但在老化的時(shí)間，為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量最好是能夠同時(shí)對盡可能多的器件作老化。為滿足這一要求，可把多個(gè)器件裝在一個(gè)大的印刷線路板上，這個(gè)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(gè)器件的小測試臺相比，因?yàn)槔匣迳系娜菪院透行载?fù)載會給速度測試帶來麻煩。所以我們通常無法用老化進(jìn)行所有功能測試。

不過在某些情況下，運(yùn)用特殊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)在老化環(huán)境下進(jìn)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(jìn)行基本信號測試，到對老化板上的所有器件作幾乎100%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(jìn)行100%功能測試都是可以做得到的，但是這些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(jìn)行測試的好處有：

1、  將耗時(shí)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(shí)間。如果老化后只進(jìn)行參數(shù)測試及很少的功能測試，那么用現(xiàn)在設(shè)備可測試更多器件，僅此一點(diǎn)即可抵消因采用老化測試方案而發(fā)生的費(fèi)用。

2、  達(dá)到預(yù)期故障率的實(shí)際老化時(shí)間相對更短。過去器件進(jìn)行首批老化時(shí)都要先藉由168小時(shí)，這是人們期望發(fā)現(xiàn)所有早期故障的標(biāo)準(zhǔn)起始時(shí)間，而這完全是因?yàn)槭诸^沒有新器件數(shù)據(jù)所致。在隨后的半年期間，這個(gè)時(shí)間會不斷縮短，直到用實(shí)驗(yàn)和誤差分析方法得到實(shí)際所需的老化時(shí)間為止。在老化同時(shí)進(jìn)行測試則可以藉由檢查老化系統(tǒng)生成的實(shí)時(shí)記錄及時(shí)發(fā)生產(chǎn)生的故障。盡快掌握老化時(shí)間可提高產(chǎn)量，降低器件成本。

3、  及時(shí)對生產(chǎn)過程作出反饋。器件故障有時(shí)直接對應(yīng)于某個(gè)制造過程或者某生產(chǎn)設(shè)備，在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)了解信息可立刻解決可能存在的制程缺陷，避免制造出大量不合格產(chǎn)品。

4、  確保老化的運(yùn)行情況與期望相符。藉由監(jiān)測老化板上的每個(gè)器件，可在老化一開始時(shí)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(yùn)行，沒有產(chǎn)能上的浪費(fèi)。

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