對車載應(yīng)用中基本半導(dǎo)體組件可靠性的研究

當(dāng)今的消費者和原始設(shè)備制造商(OEM)都要求將高質(zhì)量和高可靠性作為車載產(chǎn)品的基本要求。據(jù)估計，車載電子元器件正以8.1%復(fù)合年均增長率的速度增長(CAAGR)[1]，這種發(fā)展態(tài)勢將推動對零缺陷產(chǎn)品投放需求的持續(xù)增長。半導(dǎo)體供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)是在推出低成本產(chǎn)品的同時還要能夠滿足這一要求。本文中，我們將重點討論半導(dǎo)體產(chǎn)品小批量試生產(chǎn)到正式生產(chǎn)階段實現(xiàn)零缺陷的最佳實踐。在產(chǎn)品壽命周期的早期階段，由于是最新產(chǎn)品，因此推出那些具有早期故障潛在風(fēng)險的部件的概率最高。
　　
　　圖1“浴盆”形曲線顯示了半導(dǎo)體故障率隨時間變化的情況
　　圖1顯示了典型的“浴盆”形曲線，該曲線表明在沒有實施任何最佳實踐而開始生產(chǎn)的情況下，新產(chǎn)品可靠性隨時間變化的情況。早期故障被看作是時間零點/低里程數(shù)故障。在進行一系列校正和可靠性改進后，隨著時間的推移，這種故障率可降至人們一般認(rèn)為的隨機故障率(如果所有系統(tǒng)問題都得到了解決)。隨著故障率降至隨機水平以及產(chǎn)品運行老化，車載電子產(chǎn)品開始達到其預(yù)期的使用壽命，從而出現(xiàn)元件老化帶來的故障率增高。一般而言，一個階段中占有主導(dǎo)地位的故障機理未必與產(chǎn)品壽命周期其他階段中占主導(dǎo)地位的機理相同。
　　利用一些眾所周知的最佳實踐，這種零缺陷方法重點針對曲線的“早期使用壽命”部分。產(chǎn)品零缺陷投放所使用的一些主要方法包括足夠的質(zhì)量檢測(TFQ)范圍、專用構(gòu)建流程因素(例如：新技術(shù)的超負(fù)載試驗(burn-in))以及實施異常值控制。通過實時數(shù)據(jù)和器件分析并利用分層方法成功實施各種方案可實現(xiàn)早期故障探測、加快情況了解，同時還可在不影響用戶的情況下及時采取故障校正措施。
　　實現(xiàn)產(chǎn)品投放期間零缺陷的第一種方法是運用TFQ最佳實踐。這些最佳實踐包括根據(jù)器件溫度特性和極端工藝條件承受能力(角隅點評估(cornerlotevaluation))來測定VMIN和VMAX;針對器件設(shè)計的特別功能測試;以及關(guān)斷泄漏測試等其他最佳實踐。TFQ的一個關(guān)鍵方面是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)定正確的測試限值。另外，您還要確保所有無法在最終封裝中測試的器件設(shè)計結(jié)構(gòu)都完成晶圓測試。大電容器結(jié)構(gòu)的氧化物完整性應(yīng)力測試便是一個很好的例子——如果測試和設(shè)計布局允許直接訪問電容器本身。其他較好的測試實施實踐還包括那些側(cè)重于確保95%以上高測試覆蓋范圍、高柵極數(shù)目器件的掃描實施、過壓應(yīng)力測試以及統(tǒng)計靜態(tài)電流測試的方法。綜上所述，這些方法均可保證從大批產(chǎn)品中篩選出異常值部件的同時滿足產(chǎn)品說明書規(guī)范。
　　篩選早期故障所運用的第二種方法是根據(jù)技術(shù)風(fēng)險建立專門的構(gòu)建流程。此類特別流程的一個例子是在逐步量產(chǎn)期間實施超負(fù)載試驗。一般而言，應(yīng)對新技術(shù)和存在漏過未知缺陷潛在風(fēng)險的用戶定制設(shè)計實施超負(fù)載試驗。為了正確使用這種方法，您需要了解關(guān)鍵組件訪問和超負(fù)載試驗選定條件(電壓、溫度和應(yīng)力持續(xù)時間)相關(guān)的工藝技術(shù)和設(shè)計。正確實施后，超負(fù)載試驗可加快對早期故障進行更優(yōu)的內(nèi)嵌探測和缺陷篩選，從而促進較早地了解產(chǎn)品壽命周期中出現(xiàn)的故障，并采取一系列的故障校正措施，且不會給用戶帶來不利影響。
　　為了最大化超負(fù)載試驗值：1)應(yīng)提交超負(fù)載試驗中出現(xiàn)故障的所有組件，以進行全面的電子及物理故障分析;2)找出每一種故障特征的根本原因;3)實施正確的校正措施。校正措施通常包括：從晶圓制造工藝技術(shù)本身減少缺陷，改進自動測試設(shè)備應(yīng)力測試以提高故障檢測機制效率，在工藝上游實施改進的異常值控制以將超負(fù)載試驗的結(jié)果提高至100%良率。圖2顯示了根據(jù)逐步量產(chǎn)階段了解到的情況實施測試增強以后得到的改進的超負(fù)載測試良率。
　　
　　圖2超負(fù)載試驗后良率隨時間變化的情況，以及實施測試改進后良率的提高情況
　　需要注意的是，進行超負(fù)載試驗需要工具、設(shè)備以及人力，因此從投資的角度來看這是一種昂貴的篩選方法。如果故障根本原因和校正方法都已明確，并且對于所得結(jié)果可達到目標(biāo)水平具有較大把握，那么也可以不使用或者少使用超負(fù)載試驗。
　　最后，要想達到產(chǎn)品上市期間零缺陷的目標(biāo)，需要廣泛實施異常值控制最佳實踐。隨著自動化程度、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸水平的不斷提高，在增強異常值控制過程中，增強控制和實時反饋的機會也隨之增多。異常值控制包括統(tǒng)計箱限制(SBL)、統(tǒng)計良率限制(SYA)、動態(tài)參數(shù)異常值控制(DPO)或部件平均測試(PAT)。在晶圓測試層面，降低缺陷的方法還包括一些測測后異常值控制技術(shù)，例如：復(fù)合晶圓圖表、單裸片篩選以及復(fù)合晶圓圖表和封邊條。
　　圖3描述了在晶圓級測試中剔除異常值部件的圖案異常值篩選方法的一些示例，這一工作可使用自動測試設(shè)備和圖像識別軟件完成。圖3a中，標(biāo)有問號的裸片在晶圓測試中被視為不合格，因為其周圍的八顆芯片已在晶圓測試中被識別為不合格，從而牽連了它。圖3b中，標(biāo)有問號的裸片也是受了一列故障芯片的牽連。這些檢測異常值的技術(shù)也常常被稱為“單裸片”方法。
　　
　　圖3a描述了八晶圓圍繞測試“單裸片”的測試篩選方法;圖3b描述了另一種形式的“單裸片”位置測試篩選方法。
　　圖4顯示了統(tǒng)計異常值篩選方法的一個例子。以橘黃色圓圈標(biāo)注的色塊表示最終測試中未能達到統(tǒng)計良率限值。這時，應(yīng)將該點標(biāo)注出來，利用工程分析找出異常良率下降的原因。進行故障分析和根本原因調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該點的部署情況最有可能會導(dǎo)致出現(xiàn)不合格品。作為逐步量產(chǎn)的起始點，應(yīng)根據(jù)相同或類似設(shè)計或技術(shù)來設(shè)置初期限值，直到可以收集到更多的數(shù)據(jù)來設(shè)置基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的限值為止。隨著產(chǎn)品的逐步量產(chǎn)，如果已經(jīng)對充足的統(tǒng)計測試數(shù)據(jù)進行了收集和分析，那么就可以根據(jù)特定測試器件來設(shè)置SYL和SBL限值。此后，隨著時間的推移，可對SYL和SBL限值進行定期調(diào)節(jié)，以確保該限值在篩選異常值過程中始終有效。
　　
　　圖4最終測試良率(超負(fù)載試驗前)和標(biāo)出不符合統(tǒng)計良率限值的點的示例圖。該點是一個異常值，是要求進一步篩選和分析的風(fēng)險點，也可能會出現(xiàn)不合格品。
　　人們對汽車行業(yè)的期望是零缺陷。利用上述最佳實踐，可實現(xiàn)零缺陷產(chǎn)品投放和保護消費者的愿望，同時通過必要的學(xué)習(xí)過程讓我們更快地掌握了降低缺陷的方法。達到零缺陷目標(biāo)過程中存在的許多挑戰(zhàn)讓人望而生畏，而且也并非一定會成功。這就是為什么要使用質(zhì)量檢測最佳實踐、特別流程(例如：超負(fù)載試驗等)的原因，同時異常值控制最佳實踐將使半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠史無前例地滿足人們對于真正安全產(chǎn)品投放的需求。