解析IC供應商如何提高產品穩定性？

圖1：模組化PXI平台為測試應用提供可調整的高密度解決方案。

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。

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2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。了解SMU方案詳細，請至NI SMU活動網下載白皮書了解，並有機會抽中電影票。