對(duì)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(fèi)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(jì)，車載電子元器件正以8.1%復(fù)合年均增長(zhǎng)率的速度增長(zhǎng)(CAAGR)[1]，這種發(fā)展態(tài)勢(shì)將推動(dòng)對(duì)零缺陷產(chǎn)品投放需求的持續(xù)增長(zhǎng)。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(shí)還要能夠滿足這一要求。本文中，我們將重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)零缺陷的最佳實(shí)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(xiǎn)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(shí)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(méi)有實(shí)施任何最佳實(shí)踐而開(kāi)始生產(chǎn)的情況下，新產(chǎn)品可靠性隨時(shí)間變化的情況。早期故障被看作是時(shí)間零點(diǎn)/低里程數(shù)故障。在進(jìn)行一系列校正和可靠性改進(jìn)后，隨著時(shí)間的推移，這種故障率可降至人們一般認(rèn)為的隨機(jī)故障率(如果所有系統(tǒng)問(wèn)題都得到了解決)。隨著故障率降至隨機(jī)水平以及產(chǎn)品運(yùn)行老化，車載電子產(chǎn)品開(kāi)始達(dá)到其預(yù)期的使用壽命，從而出現(xiàn)元件老化帶來(lái)的故障率增高。一般而言，一個(gè)階段中占有主導(dǎo)地位的故障機(jī)理未必與產(chǎn)品壽命周期其他階段中占主導(dǎo)地位的機(jī)理相同。
　　利用一些眾所周知的最佳實(shí)踐，這種零缺陷方法重點(diǎn)針對(duì)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(cè)(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(yàn)(burn-in))以及實(shí)施異常值控制。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和器件分析并利用分層方法成功實(shí)施各種方案可實(shí)現(xiàn)早期故障探測(cè)、加快情況了解，同時(shí)還可在不影響用戶的情況下及時(shí)采取故障校正措施。
　　實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品投放期間零缺陷的第一種方法是運(yùn)用TFQ最佳實(shí)踐。這些最佳實(shí)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(diǎn)評(píng)估(cornerlotevaluation))來(lái)測(cè)定VMIN和VMAX;針對(duì)器件設(shè)計(jì)的特別功能測(cè)試;以及關(guān)斷泄漏測(cè)試等其他最佳實(shí)踐。TFQ的一個(gè)關(guān)鍵方面是根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定正確的測(cè)試限值。另外，您還要確保所有無(wú)法在最終封裝中測(cè)試的器件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都完成晶圓測(cè)試。大電容器結(jié)構(gòu)的氧化物完整性應(yīng)力測(cè)試便是一個(gè)很好的例子——如果測(cè)試和設(shè)計(jì)布局允許直接訪問(wèn)電容器本身。其他較好的測(cè)試實(shí)施實(shí)踐還包括那些側(cè)重于確保95%以上高測(cè)試覆蓋范圍、高柵極數(shù)目器件的掃描實(shí)施、過(guò)壓應(yīng)力測(cè)試以及統(tǒng)計(jì)靜態(tài)電流測(cè)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(shí)滿足產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)范。
　　篩選早期故障所運(yùn)用的第二種方法是根據(jù)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)建立專門(mén)的構(gòu)建流程。此類特別流程的一個(gè)例子是在逐步量產(chǎn)期間實(shí)施超負(fù)載試驗(yàn)。一般而言，應(yīng)對(duì)新技術(shù)和存在漏過(guò)未知缺陷潛在風(fēng)險(xiǎn)的用戶定制設(shè)計(jì)實(shí)施超負(fù)載試驗(yàn)。為了正確使用這種方法，您需要了解關(guān)鍵組件訪問(wèn)和超負(fù)載試驗(yàn)選定條件(電壓、溫度和應(yīng)力持續(xù)時(shí)間)相關(guān)的工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)。正確實(shí)施后，超負(fù)載試驗(yàn)可加快對(duì)早期故障進(jìn)行更優(yōu)的內(nèi)嵌探測(cè)和缺陷篩選，從而促進(jìn)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(huì)給用戶帶來(lái)不利影響。
　　為了最大化超負(fù)載試驗(yàn)值：1)應(yīng)提交超負(fù)載試驗(yàn)中出現(xiàn)故障的所有組件，以進(jìn)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(shí)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(jìn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備應(yīng)力測(cè)試以提高故障檢測(cè)機(jī)制效率，在工藝上游實(shí)施改進(jìn)的異常值控制以將超負(fù)載試驗(yàn)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(shí)施測(cè)試增強(qiáng)以后得到的改進(jìn)的超負(fù)載測(cè)試良率。
　　
　　圖2超負(fù)載試驗(yàn)后良率隨時(shí)間變化的情況，以及實(shí)施測(cè)試改進(jìn)后良率的提高情況
　　需要注意的是，進(jìn)行超負(fù)載試驗(yàn)需要工具、設(shè)備以及人力，因此從投資的角度來(lái)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(duì)于所得結(jié)果可達(dá)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(yàn)。
　　最后，要想達(dá)到產(chǎn)品上市期間零缺陷的目標(biāo)，需要廣泛實(shí)施異常值控制最佳實(shí)踐。隨著自動(dòng)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(qiáng)異常值控制過(guò)程中，增強(qiáng)控制和實(shí)時(shí)反饋的機(jī)會(huì)也隨之增多。異常值控制包括統(tǒng)計(jì)箱限制(SBL)、統(tǒng)計(jì)良率限制(SYA)、動(dòng)態(tài)參數(shù)異常值控制(DPO)或部件平均測(cè)試(PAT)。在晶圓測(cè)試層面，降低缺陷的方法還包括一些測(cè)測(cè)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(jí)測(cè)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(dòng)測(cè)試設(shè)備和圖像識(shí)別軟件完成。圖3a中，標(biāo)有問(wèn)號(hào)的裸片在晶圓測(cè)試中被視為不合格，因?yàn)槠渲車陌祟w芯片已在晶圓測(cè)試中被識(shí)別為不合格，從而牽連了它。圖3b中，標(biāo)有問(wèn)號(hào)的裸片也是受了一列故障芯片的牽連。這些檢測(cè)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(cè)試“單裸片”的測(cè)試篩選方法;圖3b描述了另一種形式的“單裸片”位置測(cè)試篩選方法。
　　圖4顯示了統(tǒng)計(jì)異常值篩選方法的一個(gè)例子。以橘黃色圓圈標(biāo)注的色塊表示最終測(cè)試中未能達(dá)到統(tǒng)計(jì)良率限值。這時(shí)，應(yīng)將該點(diǎn)標(biāo)注出來(lái)，利用工程分析找出異常良率下降的原因。進(jìn)行故障分析和根本原因調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該點(diǎn)的部署情況最有可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不合格品。作為逐步量產(chǎn)的起始點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)相同或類似設(shè)計(jì)或技術(shù)來(lái)設(shè)置初期限值，直到可以收集到更多的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置基于統(tǒng)計(jì)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(duì)充足的統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和分析，那么就可以根據(jù)特定測(cè)試器件來(lái)設(shè)置SYL和SBL限值。此后，隨著時(shí)間的推移，可對(duì)SYL和SBL限值進(jìn)行定期調(diào)節(jié)，以確保該限值在篩選異常值過(guò)程中始終有效。
　　
　　圖4最終測(cè)試良率(超負(fù)載試驗(yàn)前)和標(biāo)出不符合統(tǒng)計(jì)良率限值的點(diǎn)的示例圖。該點(diǎn)是一個(gè)異常值，是要求進(jìn)一步篩選和分析的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也可能會(huì)出現(xiàn)不合格品。
　　人們對(duì)汽車行業(yè)的期望是零缺陷。利用上述最佳實(shí)踐，可實(shí)現(xiàn)零缺陷產(chǎn)品投放和保護(hù)消費(fèi)者的愿望，同時(shí)通過(guò)必要的學(xué)習(xí)過(guò)程讓我們更快地掌握了降低缺陷的方法。達(dá)到零缺陷目標(biāo)過(guò)程中存在的許多挑戰(zhàn)讓人望而生畏，而且也并非一定會(huì)成功。這就是為什么要使用質(zhì)量檢測(cè)最佳實(shí)踐、特別流程(例如：超負(fù)載試驗(yàn)等)的原因，同時(shí)異常值控制最佳實(shí)踐將使半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠史無(wú)前例地滿足人們對(duì)于真正安全產(chǎn)品投放的需求。