借助​PXI SMU​实现​高度​并行​的​晶圆​级​可靠性​系统

概览

一直​以来,​可靠性​测试​都是​确保​半导体​器件​在​特定​生命​周期​内​维持​所需​性能​的​一种​方法。​由于​IC​制造​商​不断​引入​创新​工艺​以及​减小​器件​尺寸,​他们​需要​确保​这些​变化​所​带来​的​额外​复杂​性​不会​影响​IC​的​长期​稳定​性。 另外,​自主​驾驶、​基于​云​的​数据​存储​和​生命​科学​等​领域​的​主要​技术​发展​趋势​正​迫使​IC​供应​商​更​严格​地​保证​为​任务​关键​型​应用​客户​提供​的​产品​的​可靠性。

​这​两​个​趋势​也在​迫使​半导体​制造​商​在​降低​测试​成本​的​同时,​大幅​增加​所​采集​和​分析​的​可靠性​数据​的​数量。 在​需要​以​更​低成本​获取​更多​数据​时,​许多​可靠性​工程​师​发现​他们​无法​使用​传统​的​可靠性​解决​方案​来​应对​这​一​问题, 因此​转而​使用​灵活、​可​扩展​的​模​块​化​解决​方案​来​满足​其​需求。

目录

  1. 可靠性​测试
  2. 晶圆​级​可靠性
  3. 构​建​WLR​系统​的​传统​方法
  4. 构​建​WLR​系统​的​新​方法
  5. PXI:​竞争​优势
  6. 了解​更多

1. 模​块化PXI平台​为​测试​应用​提供​了​可​扩展​的​高密度​解决​方案。

 

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可靠性​测试

设备​可靠性​通常​指​设备​随着​使用​时间​的​增加​发生​故障​的​概率,​其中​产品​刚刚​制造​出来​时​以及​产品​超过​有效​生命​周期​时​的​故障​率​最高。

图​2. 设备​可靠性​的​典型​模型

 

图表​左侧​显示​了​制造​过程​中​由于​产品​缺陷​造成​的​早期​故障。 在​生产​中​我们​可以​筛选​出​这些​类型​的​故障,​从而​尽可能​避免​将​缺陷​产品​交付​给​客户。 但是,​生产​过程​中​进行​的​功能​测试​并​无法​识别​导致​设备​过早​出现​磨损​的​缺陷,​也​无法​帮助​客户​了解​产品​的​有效​生命​周期。 但是,​可靠性​测试​可以​对​这些​类型​的​故障​机制​予以​识别​并​评估​产品​的​有效​生命​周期。

可靠性​测试​包括​在​设备​规格​参数​的​两​个​极端​值​下​测试​设备​—​通常​是​电压​和​温度​—​以​加速​设备​磨损​并​在​已知​故障​机制​下​建立​有效​生命​周期​的​模型。 这些​测试​可在​晶圆​或​封​装​的​零​部件​上​进行。 在​制造​过程​的​早期,​晶圆​级​可靠性​(WLR)​可​提供​更多​数据,​避免​了​切割​和​封​装​IC​所​产生​的​费用​和​潜在​损伤。

 

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晶圆​级​可靠性

可靠性​工程​师​正​努力​以​更​低成本​来​获取​更多​数据

WLR​是​一种​参数​测试,​用​来​提取​设备​有效​生命​周期​和​长期​可靠性​的​相关​信息。 通常,​这些​测试​不会​在​正在​开发​的​实际​IC​上​进行,​而是​在​一​组​测试​架构​或​专用​芯​片上​进行,​这些​芯​片​内​置​于​晶圆​上​专门​用于​采集​参数​数据。 这些​测试​结构​包括​诸如​晶体​管、​电容​和​电阻​等​的​基本​晶圆​结构,​有助​于​您​进一步​了解​制造​过程。 大​多数​WLR​测试​包含​一个​应力,​比如​电压​或​电流,​并​对​设备​响应​进行​测量​以​监测​设备​健康​是否​出现​退化。 通常​采用​的​常见​故障​机制​包括​偏​压​温度​不​稳定​性​或​负​偏​压​温度​不​稳定​性​(BTI​或​NBTI)、​热​载流子​注入​(HCI)、​经​时​绝缘​击​穿​(TDDB)​和​电​迁移​(EM)。

 

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构​建​WLR​系统​的​传统​方法

数​十年​来,​WLR​系统​在​测量​能力​和​架构​方面​有​很大​的​变化。 专用​WLR​系统​可能​需要​使用​高​频​AC​或​脉冲​激励;​而​大部分​的​CMOS​器件​则​使用​源​测量​单元​(SMU)​等​直流​仪器​进行​测试,​这​为​采集​参数​数据​提供​了​必要​的​应力​和​测量​能力。 构​建​WLR​系统​的​两​个​主要​方法​包括​使用​传统​台式​仪器​搭建​机​架​堆​叠​式​系统​和​购买​专用​的​完整​系统。

 

机​架​堆​叠​式​系统

过去,​SMU​是​一种​昂贵​的​高​精度​DC​仪器,​会​限制​标准​测试​机​架​中的​可用​通道​数。 由于​存在​这些​限制,​SMU​通常​与​低​泄漏​开关​矩阵​结合​使用,​将​SMU​的​信号​路​由​至​多个​测试​点,​同时​将​继电器​所​产生​的​噪声、​泄漏​电流​和​热电​势​降到​最低​值。 这​一​方法​适用​于​对​少量​测试​结构​进行​串​行​测试​时​产生​具有​统计​学​意义​的​可靠性​数据​的​情况。 此外,​开关​是​台式​仪器​的​一种​实用​扩展,​过去​每​通道​扩展​要​花费​$5,000​至​$10,000,​而且​一个​完整​的​19​英寸​测试​机​架​只能​允许​20​或​40​个​通道。 然而,​考虑​到​对​继电器​的​性能​预期,​开关​子​系统​通常​是​WLR​系统​中​一个​较​为​昂贵​的​大型​项目。

 

完整​系统

另​一种​方法​是​购买​专用​的​完整​系统,​其中​的​电​烘箱、​测试​机​架、​仪器​和​软件​等​所有​组​件​都​已经​预先​安装​好。 设备​功能​与​测试​需求​相​匹配​能够​节省​开发​和​集成​时间,​但是​需要​大量​资本​预算。 这些​系统​通常​具有​固定​数量​的​通道、 固定​的​硬件​产品​规范​和​软件,​并​由​供应​商​提供​服务。 系统​供应​商​可能​分别​出售​晶圆​级​系统​和​组​装​好的​可靠性​系统,​或者​针对​两​种​应用​出售​同​一个​系统,​而不​考虑​测试​需求​的​差异。 

 

传统​WLR​系统​所​面临​的​挑战

机​架​堆​叠​式​系统​受限于​传统​台式​SMU​的​低​通道​密度

购买​专用​系统​或​搭建​由​台式​仪器​组成​的​堆​叠​式​系统​这​两​种​传统​WLR​方法​已经​流行​了​数​十年。 然而,​许多​工程​师​发现​这些​架构​无法​很好​地​进行​扩展​来​满足​新​通道​密度​和​成本​需求。

完整​的​系统​无法​提供​所需​的​灵活​性​来​修改​测试​软件​或​硬件​来​应对​设备​需求​的​变化,​即便​能够​修改,​其​代价​也是​极其​昂贵​的。

机​架​堆​叠​式​系统​受限于​传统​台式​SMU​的​低​通道​密度。 低​通道​密度​使得​工程​师​很​难​搭建​占用​空间​小​的​高​通道​数​系统,​这​通常​迫使​他们​采用​开关​拓​扑​结构​来​将​SMU​复​用​至​多个​引​脚。 然而,​由于​引​脚​测试​是​串​行​测试​而​非​并行​测试,​这​一​开关​拓​扑​结构​很快​成为​瓶颈,​因而​需要​恒定​施加​应力​以及​持续​监测​的​高级​应力​算法​无法​实现。 

由于​存在​这些​挑战,​许多​公司​正​着手​构​建​基于​模​块​化​仪器​的​并行​测试​系统。

 

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构​建​WLR​系统​的​新​方法

在​过去​十年​里,​随着​PXI​等​模​块​化​平台​的​出现,​测试​仪器​市场​发生​剧​大​变化。 由于​其​广泛​的​I/​O​功能、​紧凑​的​组成​结构​及​软件​的​灵活​性,​模​块​化​平台​越来越​普遍​用于​构​建​自动​化​测试​系统。

图​3. 行业​分析​师​预测​PXI​将​持续​成为​主流​的​模​块​化​平台。

 

采用​模​块​化​方法,​您​能够​在​不​影响​测量​质量​的​前提​下​大幅度​减小​WLR​系统​的​占用​空间。 开放​的​软件​架构​使​您​能够​根据​需求​的​变化​定义​系统​功能、​修改​测试​和​添加​硬件。 这​包括​集成​最新​的​多核​处理​器、​借助​健康​与​监测​工具​最大​化​系统​的​正常​运行​时间​以及​添加​I/​O。

 

图​4. 基于​模​块​化​PXI​平台​的​并行​可靠性​系统

 

高密度​源​测量​单元

基于​PXI​的​SMU​能够​以​合理​的​每​通道​占用​空间​和​成本​为​系统​添加​数百​个​通道

使用​基于​PXI​的​SMU​构​建​WLR​系统,​您​可以​在​维持​合理​的​每​通道​占用​空间​与​成本​的​同时,​将​数百​个​SMU​通道​添加​到​系统​中。 NI SMU​专用​于​构​建​自动​化​测试​系统,​您​可以​使用​模​块​化​架构​来​优​化​整个​系统​的​通道​数​和​产品​技术​参数。 高​通道​密度​可以​避免​在​SMU​和​晶圆​之间​放置​开关。 每​个​测试​点​可以​直接​与​高​精度​设备​相连。 “每​引​脚​SMU”(SMU per pin)​架构​避免​了​开关​对​信号​完整性、​测试​时间​和​测试​例​程​灵活​性的​不利​影响,​有助​于​您​实现​高级​应力​测量​算法。  

图​5. 与​多​路​复​用​架构​相比,​并行​的​每​引​脚​SMU​架构​有助​于​缩短​测试​时间。

 

虽然​每​引​脚​SMU​架构​用于​WLR​系统​并不​是​第一次,​但是​NI SMU​提供​的​通道​数​比​现有​解决​方案​高​的​多。 借助​基于​NI PXI​的​WLR​系统,​SMU​提供​了​以下​优势:

  1. 高密度—您​可以​将​多​达​68​个​SMU​通道​添加​到​单​个​4U 19​英寸​的​PXI​机​箱​内,​并​在​单​个​自动​化​测试​机​架上​安装​多个​机​箱,​使​每​个​系统​独立​SMU​通道​达到​数百​个。
  2. 高​精度​测量—NI SMU​具有​10 fA​至​10 pA​的​测量​灵敏​度​范围,​可​为​系统​提供​出色​的​测量​质量。
  3. 高速​序列​引擎—您​可以​将​大型​硬件​定​时​序列​传输​至​系统​的​SMU​并​同步​所有​通道。 这​可​实现​超高​的​执行​速率​及​确定​性​电源​输入​和​采样。
  4. 内​置​数字​化​仪—采样​率​大于​600Ks/​s,​无​需​借助​外部​示波器​即可​捕捉​瞬​态​设备​的​恢复​行为。

了解​用户​选择​NI SMU​的​原因

 

正常​运行​时间​长,​适用​性好

保证​系统​的​正常​运行​时间​对​在​线​和​离​线​可靠性​系统​都是​十分​重要​的。 如果​在​线​系统​出现​故障,​那么​晶圆​生产​可能​会​停止。 离​线​可靠性​测试​的​执行​时间​通常​需要​数​月​或​数​年,​为​产品​的​预期​生命​周期​提供​了​关键​性​数据。 基于​这些​需求,​可靠性​测试​仪​需要​维持​在​线​状态​并​在​整个​实验​过程​中​持续​采集​数据,​因为​有​故障​的​测试​仪​会​导致​实验​失败。

 

图​6. PXI​机​箱​通过​冗​余​风​扇​和​电源​提供​较​长​的​正常​运行​时间

 

PXI​平台​为​开发​拥有​较​长​正常​运行​时间​的​关键​型​应用​提供​了​众多​优势。 例如,​您​可以​使用​装​有​冗​余、​可​热​插​拔​风​扇​和​电源​的​机​箱​来​搭建​系统。 如果​一个​组​件​发生​故障,​系统​会​继续​运行,​且​无​需​系统​停​机​或​实验​中断​即可​替换​该​组​件。 另外,​您​可以​远程​监测​系统​的​风​扇​转​速、​温度、​功耗​和​其它​可​预测​即时​故障​的​关键​参数。

了解​PXI​如何​提高​您​系统​的​可靠性、​可用性、​服务​性​及​可​管理性

 

使用​最新​商用​处理器

并行​测试​系统​不能​因为​处理​能力​的​不足​或​通信​延​时而​成为​瓶颈。 使用​PXI​构​建​并行​WLR​系统​的​一个​优势​是​其所​使用​的​控制器​可​集成​最新​的​多核​Intel​处理​器。 另外,​机​箱​背​板​可​实现​处理​器​和​模​块​之间​的​低​延迟​通信​以及​基于​数字​触发​的​模​块​间​通信。 对于​并行​WLR​系统,​这​意味​着​您​可以​将​具体​的​序列​执行​转移​到​每​个​SMU​上​执行,​使​控制器​空​出来​进行​数据​采集​与​分析。

图​7. 基于​PXI​的​测试​系统​能够​集成​最新​的​商用​处理器

 

使用​多核​处理​器​增强​测试​系统

 

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PXI:​竞争​优势

传统​可靠性​系统​已​被​使用​了​数​十年;​然而,​这些​系统​提供​和​分析​大量​可靠性​数据​的​能力​正在​下降。 为了​满足​这些​需求,​许多​公司​正​转而​使用​PXI​等​模​块​化​平台​来​构​建​高度​并行​的​WLR​系统,​以​实现​较​长​的​正常​运行​时间​和​集成​最新​商用​处理​器。 利用​这些​系统​的​软件​定义​架构,​公司​能够​牢牢​掌控​其​知识​产权​并​根据​需求​变化​对​系统​进行​扩展。 这​一​方法​满足​了​以​更​低成本​获取​更多​可靠性​数据​的​需求,​使​其​能够​很好​地​应对​未来​不断​变化​的​测试​需求。         

 

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