高效能、高穩定性的晶圓級測試系統
- 台北訊
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半導體業長久以來一直倚賴穩定性測試，確保其裝置能在特定使用期間維持必要效能。 隨著IC製造商不斷推出裝置尺寸愈見精簡的全新創新製程，業者需要確保這些變更所衍生的額外複雜性不會影響到自家IC的長期穩定性。 此外，有鑑於自動駕駛、雲端資料儲存與生命科學等領域的重要科技趨勢，IC供應商不得不開始提供客戶更高的產品穩定性保證，幫助他們順利進行關鍵任務應用。
這兩大趨勢使得半導體製造商必須大幅增加所收集的穩定性資料量並加以分析，同時還必須設法降低測試成本。在面臨以更低成本取得更多資料的難題下，許多穩定性工程師發現傳統的穩定性解決方案已經不敷使用，因此他們開始轉向模組化解決方案，藉由彈性地擴充規模以因應需求。而NI國家儀器，提供業界完整解決方案，若想先進一步了解半導體測試更聰明的解決方案，請至NI 半導體測試解決方案網站進一步了解。下方將簡要說明為何您需要高效能、高穩定性的晶圓級測試系統？
1. 穩定性測試
裝置穩定性模型通常在運行一段期間後會出現失敗率，其中最高的失敗率會在製造完成後立即出現，並在產品超出有用的使用壽命後再度出現。
圖表左側顯示失敗情況通常是由製造瑕疵所引起。生產過程中，這類型的失敗可藉由篩選剔除，有效減少寄送至客戶端的瑕疵零件數量。不過，生產期間所進行的功能測試非但無法找出導致裝置提早磨耗的瑕疵，也無法為產品使用壽命提出建設性觀點。另一方面，穩定性測試卻可辨識出這類失敗機制，並預估產品的使用壽命。
穩定性測試涉及在裝置的規格內進行極限應力測試(通常針對電壓與溫度)，藉此加速裝置磨耗並依據已知的失敗機制建立使用壽命模型。 這類測試可在晶圓或封裝零件上進行。 晶圓級穩定性(WLR)無須額外成本即可在製造流程初期提供更多資料，且不會對IC切割及封裝作業造成任何損傷。
2. 晶圓級穩定性
WLR之類的參數型測試能夠擷取裝置使用壽命及長期穩定性相關資訊。這類測試通常不會在開發中的實際IC上進行，而是在內建於晶圓內，以收集參數資料專用的測試結構組合或專門壓鑄模上進行。 這類測試結構由電晶體、電容器與電阻器之類的基礎晶圓元素所組成，用以對製造流程提供建設性觀點。大多數的WLR測試會在過程中應用電壓或電流之類的應力，然後量測裝置響應以監控任何衰變徵兆。 常用的失敗機制包括偏移或負偏移溫度不穩定性(BTI或NBTI)、熱載波注入(HCI)、時間相依介電崩潰(TDDB)與電遷移效應 (EM)。
3. 打造WLR系統的傳統方式
數十年來，WLR系統不管在量測功能與架構上都有不同。專業的WLR系統可能涉及高頻率AC或脈衝激源；不過，大多數CMOS裝置則是透過DC儀器來測試，例如電源量測單元(SMU)，以便在收集參數資料時提供必要的應力與量測功能。 打造WLR系統的兩種主要方式，有可能是打造傳統儀控箱之類的機架堆疊系統，或是購買專門的現成系統。
機架堆疊系統
SMU是種高精確度DC儀器，一般來說費用昂貴，以致於您可以置入標準測試機架內的通道數量受到限制。在這些限制下，SMU通常會結合低洩漏切換矩陣以將訊號從SMU繞送至數十個測試點，同時有效減少繼電器所衍生的相關雜訊、漏電流與熱EMF。 此方法在連續測試小量測試結構時可發揮功用，產生具有統計意義的穩定性資料。此外，就儀控箱而言，每個通道成本一般介於5,000至$10,000 美元，且受限於19吋測試機架僅有20或40個通道。由此看來，切換矩陣是個非常實用的延伸功能。而在眾人對繼電器的效能期望下，切換子系統通常只是WLR系統中佔比龐大且價格不斐的元件。
現成系統
替代方案則是購買專門的現成系統，這類系統預先封裝了各項必須元件，例如微波爐、測試機架、儀器與軟體等。以您的測試需求為基準來測試設備功能，雖然省下開發與整合時間，卻需要投入大量資金。這類系統通常以固定通道數量、硬體規格及軟體來打造，並由廠商負責維護。系統廠商可能會將晶圓及封裝穩定性系統分開販售，或是無視測試需求差異而銷售相同系統來因應不同的應用需求。
傳統WLR系統所面臨的挑戰
不管是購買專門系統或是使用儀控箱打造機架堆疊系統，這兩種傳統的WLR方式在這數十年來都已盡其所能。 不過，許多工程師卻發現，這類架構的擴充度不足以滿足新興通道密度與成本需求。
當裝置需求變更，現成系統不是無法在修改測試軟體或硬體時提供所需彈性，就是修改成本過於昂貴。
機架堆疊系統受到傳統SMU儀控箱的低通道密度限制。 在打造不佔空間的大量通道系統時，低密度要求不但是項挑戰，更經常迫使工程師必須使用切換式拓撲，以便將SMU分工至多個針腳進行處理。 但是這種切換式拓撲很快成為技術瓶頸，因為這些針腳是採序列式 (而非平行) 測試，因此實務上無法實作需要常態應力並進行監控的先進應力演算法。
在面臨這類挑戰時，許多公司開始使用模組化儀器打造平行測試系統。
4. 打造WLR系統的全新方式
過去10年來，測試儀器市場版圖因為PXI之類的模組化平台興起之故，開始出現版圖大挪移現象。由於模組化平台具備廣泛I/O功能、迷你體積與彈性軟體等特性，越來越適合用來打造自動化測試系統。
透過模組化方式，無須犧牲量測品質就能大幅減少WLR系統所佔用的空間。開放式軟體架構能便利您定義系統功能、修改測試內容，並隨時依據需求改變新增硬體。 這當中包括整合最新的多核心處理器、透過健康與監控工具以最大化系統正常運作時間，以及增加 I/O處理能力。
高密度電源量測單元
藉由基於PXI的SMU來打造WLR系統，不但能為系統添增數百個SMU通道，同時還能讓每個通道維持合理的佔用空間與成本。NI SMU主要用來建構自動化測試系統，可以運用模組化架構將整體系統的通道數目與裝置規格維持在最佳狀態。 在高通道密度之下，就能避免SMU與晶圓之間放置切換器的需要。 反之，每個測試墊塊可以直接與高精確度裝置連接。這種「每針腳 SMU」架構可避免切換器對訊號完整性、測試時間與測試常式彈性所造成的負面影響，協助您實作先進的應力量測演算法。
雖然每針腳SMU架構並非WLR系統全新引進的概念，NI SMU卻能提供遠比現有解決方案數量更多的通道。透過基於NI PXI的WLR系統，SMU能夠提供下列優勢：
1. 高密度：單一4U 19 吋PXI機箱最多可裝載68個SMU通道，而單一自動化測試機架可裝載多個機箱，為每個系統提供數百個獨立的 SMU 通道。
2. 高精確度量測：介於10fA至10pA之間的量測敏感度，使您免於犧牲系統的量測品質。
3. 高速序列引擎：您可以將大量的硬體計時序列串流到系統的SMU中，並同步處理所有通道。此舉可提供極為快速的執行率與關鍵的供應及取樣品質。
4. 內建示波器：透過大於600 kS/s的取樣率，您無須外部示波器即可擷取瞬變裝置回復動作。
長時間正常運作與維修能力
無論是行內還是離線穩定性系統，都必須確保系統運作時間正常。一有任何行內系統故障，晶圓生產就會中止。離線穩定性測試時間通常會延長數月甚至是數年，可針對產品預期壽命提供重要參考資料。有鑑於這些要求，穩定性測試人員需要在實驗期間維持上線並持續收集資料，因為只要測試人員一不小心犯錯，就會導致實驗失敗。
PXI平台為開發能長時間正常運作的關鍵應用，提供了多項優勢。 例如，您可以使用內含備援式熱交換風扇與電源供應器的機箱來打造系統。當元件故障時，系統仍舊會持續運轉，這時您可以直接更換該項元件，無須關閉系統電源並放棄實驗。 此外，您可以從遠端監控系統運作狀況，查看包括風扇轉速、溫度、耗電量與其他代表即將發生失敗情況的重要參數。
獲得最新的商用處理器
平行測試系統不會因為缺少處理能力或通訊潛時而遭遇運算瓶頸。使用PXI建構平行WLR系統的好處之一，就是可以運用內含最新多核心Intel處理器的控制器。 此外，機箱背板可在處理器與模組之間進行低潛時通訊，並透過數位觸發方式進行模組對模組通訊。對平行 WLR系統來說，這意味著您可以將詳細的序列執行卸載至個別SMU，並保留控制器以供資料收集及分析之用。
5. PXI：競爭優勢
傳統的穩定性系統數十年如一日地做好分內之事；不過，這類系統在提供與分析大量穩定性資料的能力上，卻開始顯得力不從心。為了因應這些需求，許多公司開始將目光投向PXI之類的模組化平台，希望打造能長時間正常運作與具備最新商用處理器的高度平行WLR系統。藉由這類系統所具備的軟體定義架構，企業可以保有對功能元件組塊的掌控能力，同時因應需求隨時擴充系統。 此舉滿足了企業以更低成本取得更多穩定性資料的需求，讓他們得以好整以暇地因應未來變化迅速的測試需求。(本文由國家儀器提供，李佳玲整理報導)
