在老化的同時進行功能測試
關鍵字： 功能測試 老化 半導體器件 邏輯器件老化測試 PCB設計
為了達到滿意的合格率，幾乎所有產(chǎn)品在出廠前都要先經(jīng)過老化。制造商如何才能夠在不縮減老化時間的條件下提高其效率？本文介紹在老化過程中進行功能測試的新方案，以降低和縮短老化過程所帶來的成本和時間問題。
James Rhodes
總經(jīng)理
Unigen Operations，Unisys
在半導體業(yè)界，器件的老化問題一直存在各種爭論。像其他產(chǎn)品一樣，半導體隨時可能因為各種原因而出現(xiàn)故障，老化就是通過讓半導體進行超負荷工作而使缺陷在短時間內(nèi)出現(xiàn)，避免在使用早期發(fā)生故障。如果不經(jīng)過老化，很多半導體成品由于器件和制造工藝復雜性等原因在使用中會產(chǎn)生很多問題。
在開始使用后的幾小時到幾天之內(nèi)出現(xiàn)的缺陷(取決于制造工藝的成熟程度和器件總體結構)稱為早期故障，老化之后的器件基本上要求100%通過這段時間。準確確定老化時間的唯一方法是參照以前收集到的老化故障及故障分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而大多數(shù)生產(chǎn)廠商則希望減少或者取消老化。
老化工藝必須要確保工廠的產(chǎn)品滿足用戶對可靠性的要求，除此之外，它還必須能提供工程數(shù)據(jù)以便用來改進器件的性能。
一般來講，老化工藝通過工作環(huán)境和電氣性能兩方面對半導體器件進行苛刻的試驗使故障盡早出現(xiàn)，典型的半導體壽命曲線如圖1。由圖可見，主要故障都出現(xiàn)在器件壽命周期開始和最后的十分之一階段。老化就是加快器件在其壽命前10%部分的運行過程，迫使早期故障在更短的時間內(nèi)出現(xiàn)，通常是幾小時而不用幾月或幾年。
不是所有的半導體生產(chǎn)廠商對所有器件都需要進行老化。普通器件制造由于對生產(chǎn)工藝比較了解，因此可以預先掌握經(jīng)過統(tǒng)計得出的失效預計值。如果實際故障率高于預期值，就需要再作老化，提高實際可靠性以滿足用戶的要求。
本文介紹的老化方法與10年前幾乎一樣，不同之處僅僅在于如何更好地利用老化時間。提高溫度、增加動態(tài)信號輸入以及把工作電壓提高到正常值以上等等，這些都是加快故障出現(xiàn)的通常做法；但如果在老化過程中進行測試，則老化成本可以分攤一部分到功能測試上，而且通過對故障點的監(jiān)測還能收集到一些有用信息，從總體上節(jié)省生產(chǎn)成本，另外，這些信息經(jīng)統(tǒng)計后還可證明找出某個器件所有早期故障所需的時間是否合適。
過去的老化系統(tǒng)
進行老化的第一個原因是為了提高半導體器件的可靠性，目前為止還沒有其他的替代方法。老化依然是在高溫室(通常125℃左右)內(nèi)進行，給器件加上電子偏壓，大部分時候還使用動態(tài)驅動信號。
很多公司想減少或者全部取消老化，但是他們又找不到其他可靠的替代方法能夠在產(chǎn)品到達客戶之前把有早期故障的剔除掉，所以看來老化還會長久存在下去。半導體生產(chǎn)廠商另外也希望通過老化做更多的事，而不是浪費寶貴時間被動地等待元件送來做老化。
過去的老化系統(tǒng)設計比較簡單。10年以前，老化就是把一個器件插入老化板，再把老化板放入老化室，給老化板加上直流偏壓(靜態(tài)老化)并升高溫度，168個小時之后將器件取出進行測試。如果經(jīng)100%測試后仍然性能完好，就可以保證器件質量可靠并將其發(fā)送給用戶。
如果器件在老化時出現(xiàn)故障，則會被送去故障分析實驗室進行分析，這可能會需要幾周的時間。實驗室提供的資料將用來對設計和生產(chǎn)工藝進行細微調(diào)節(jié)，但這也表明對可能出現(xiàn)的嚴重故障采取補救措施之前生產(chǎn)已進行了幾個星期。目前工程師們找了一些方法，對器件進行長時間錯誤覆蓋率很高的老化，甚至還對器件作一些測試。但遺憾的是沒有人能解決老化的根本問題，即減少成本與時間。于是半導體制造商們采用了另一種老化方式：在老化中進行功能測試。
為什么要在老化時進行測試
在老化階段進行半導體測試之所以有意義有多種原因，在探討這些原因之前，我們首先要明確“測試”的真正含義。
一般半導體測試要用到昂貴的高速自動測試設備，在一個電性能條件可調(diào)的測試臺上對半導體作測試。它還可以在標稱性能范圍之外進行，完成功能(邏輯)和參數(shù)(速度)方面的測試，像信號升降時間之類的參數(shù)可精確到皮秒級。也許是因為可控測試環(huán)境只有一個器件作為電性負載，所以信號轉換很快，能夠進行真實的器件響應參數(shù)測量。
但在老化的時候，為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量最好是能夠同時對盡可能多的器件作老化。為滿足這一要求，可把多個器件裝在一個大的印刷線路板上，這個板稱為老化板，它上面的所有器件都并聯(lián)在一起。大型老化板的物理電氣特性不能和只測試一個器件的小測試臺相比，因為老化板上的容性和感性負載會給速度測試帶來麻煩。所以我們通常無法用老化進行所有功能測試。不過在某些情況下，運用特殊的系統(tǒng)設計技術在老化環(huán)境下進行速度測試也是可能的。
老化系統(tǒng)中的“測試”可以指任何方面，從對每一器件每一管腳進行基本信號測試，到對老化板上的所有器件作幾乎100%功能測試，這一切均視器件復雜性及所選用的老化測試系統(tǒng)而定�？梢哉f對任何器件進行100%功能測試都是可以做得到的，但是這樣采用的方法可能會減少老化板上的器件密度，從而增加整體成本并降低產(chǎn)量。
在老化中進行測試的好處有：
1． 將耗時的功能測試移到老化中可以節(jié)約昂貴的高速測試儀器的時間。如果老化后只進行參數(shù)測試及很少的功能測試，那么用現(xiàn)有設備可測試更多器件，僅此一點即可抵消因采用老化測試方案而發(fā)生的費用。
2． 達到預期故障率的實際老化時間相對更短。過去器件進行首批老化時都要先經(jīng)過168小時，這是人們期望發(fā)現(xiàn)所有早期故障的標準起始時間，而這完全是因為手頭沒有新器件數(shù)據(jù)所致。在隨后的半年期間，這個時間會不斷縮短，直到用實驗和誤差分析方法得到實際所需的老化時間為止。在老化同時進行測試則可以通過檢查老化系統(tǒng)生成的實時記錄及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的故障。盡快掌握老化時間可提高產(chǎn)量，降低器件成本。
3． 及時對生產(chǎn)工藝作出反饋。器件故障有時直接對應于某個制造工藝或者某生產(chǎn)設備，在故障發(fā)生時及時了解信息可立刻解決可能存在的工藝缺陷，避免制造出大量不合格產(chǎn)品。
4． 確保老化的運行情況與期望相符。通過監(jiān)測老化板上的每個器件，可在老化一開始時就先更換已經(jīng)壞了的器件，這樣使用者可確保老化板和老化系統(tǒng)按預先設想的狀況運行，沒有產(chǎn)能上的浪費。
老化測試系統(tǒng)類型
目前市面上有多種老化測試系統(tǒng)實現(xiàn)方法，除了老化系統(tǒng)生產(chǎn)廠商制造的通用型產(chǎn)品外，半導體廠商也在內(nèi)部開發(fā)了一些供他們自己使用的此類系統(tǒng)。大多數(shù)系統(tǒng)都采用電腦作主機，用于數(shù)據(jù)采集和電路基本控制，而一些非計算機系統(tǒng)只能用LED作為狀態(tài)指示器，需要人工來收集數(shù)據(jù)。
為了能對老化板上的每一器件作獨立測試，必須要在老化系統(tǒng)控制下將每個器件與其他器件進行電性隔離。存儲器件非常適合于這種場合，因為它們被設計成按簇方式使用并帶有多路選通信號，而邏輯器件則可能無法使用選通信號，這使得在老化系統(tǒng)中設計通用邏輯測試會更難一些。因此針對不同器件類型存在不同的邏輯老化系統(tǒng)是很正常的。
老化測試系統(tǒng)可歸為兩大類：邏輯器件和存儲器。邏輯器件測試系統(tǒng)又可分為兩類：并行和串行；同樣，存儲器測試系統(tǒng)也可分為兩類：非易失性和易失性。
邏輯器件老化測試
邏輯器件老化測試是兩類系統(tǒng)中難度最大的，這是因為邏輯產(chǎn)品具有多功能特性，而且器件上可能還沒有選通信號引腳。為使一種老化測試系統(tǒng)適應所有類型的邏輯器件，必須要有大量的輸入輸出引線，這樣系統(tǒng)才能生成多引腳器件通常所需的多種不同信號。老化系統(tǒng)還要有一個驅動板，作為每個信號通路的引腳驅動器，它一般采用較大的驅動電流以克服老化板的負載特性。
輸出信號要確保能夠對需作老化的任何器件類型進行處理。如果老化板加載有問題，可以將其分隔成兩個或更多的信號區(qū)，但是這需要將驅動板上的信號線數(shù)量增加一倍。大多數(shù)并行輸出信號利用專用邏輯、預編程EPROM、或可重編程及可下載SRAM產(chǎn)生，用SRAM的好處是可利用計算機重復編程而使老化系統(tǒng)適用于多種產(chǎn)品。
邏輯器件老化測試主要有兩種實現(xiàn)方法：并行和串行，這指的是系統(tǒng)的輸入或監(jiān)測方式。一般來說所有邏輯器件測試系統(tǒng)都用并行方式把大量信號傳給器件，但用這種方式進行監(jiān)測卻不能將老化板上的每一個器件分離出來。
?并行測試法
并行測試是在老化過程中進行器件測試最快的方法，這是因為有多條信號線連在器件的輸入輸出端，使數(shù)據(jù)傳輸量達到最大，I/O線的輸入端由系統(tǒng)測試部分控制。并行測試有三種基本方式：各器件單選、單引腳信號返回和多引腳信號返回。
?各器件單選 如果老化板上的器件可以和其他器件分離開，系統(tǒng)就可通過選擇方法分別連到每一個器件上，如使用片選引腳，所有器件都并聯(lián)起來，一次只選中一個器件生成返回信號(圖2)。系統(tǒng)提供專門的器件選擇信號，在測試過程中一次選中一個，老化時所有器件也可同時被選并接收同樣的數(shù)據(jù)。
用這種方法每個器件會輪流被選到，器件和老化系統(tǒng)之間的大量數(shù)據(jù)通過并行總線傳輸。該方法的局限是選中的器件必須克服老化板及其他非選中器件的容性和感性負載影響，這可能會使器件在總線上的數(shù)據(jù)傳輸速度下降。
?單引腳信號返回 這個方法里所有器件都并聯(lián)在一起，但每個器件有一個信號返回引腳除外，所有器件同時進入工作狀態(tài)，由系統(tǒng)選擇所監(jiān)測的器件并讀取相應的信號返回線。該方法類似于串行測試法，但信號引腳一般檢測的是邏輯電平，或者是可以和預留值比較的脈沖模式。檢測到的信號通常表示器件內(nèi)部自檢狀態(tài)，它存在器件內(nèi)以供測試之用，如果器件沒有自檢而只是單純由系統(tǒng)監(jiān)測它的一個引腳，那么測試可信度將會大大降低。
?多引腳信號返回 該方法和單引腳信號返回類似，但是從每個器件返回的信號更多。由于每個器件有更多信號返回線，所以這種方法要用到多個返回監(jiān)測線路。而又因為必須要有大量返回線路為該方法專用，因此會使系統(tǒng)總體成本急劇增加。沒有內(nèi)部自檢而且又非常復雜的器件可能就需要用這種方法。
?串行測試法
串行測試比并行測試操作容易一些，但是速度要慢很多。除了每個器件的串行信號返回線，老化板上的每個器件通常都并聯(lián)在一起。該方法用于有一定處理功能并可通過一條信號返回線反映各種狀態(tài)的器件。測試時傳送的數(shù)據(jù)必須進行解碼，因此老化板上應有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
?RS-232C或同等協(xié)議 一種串行監(jiān)測方法是在老化板上采用全雙工RS-232C通信協(xié)議，所有器件的其他支持信號(如時鐘和復位)都并聯(lián)在一起(圖3)。RS-232C發(fā)送端(TxD)通常也連到所有器件上，但同時也支持老化板區(qū)域分隔以進行多路復用傳輸。
每個器件都將信號返回到驅動板上的一個RS-232C接收端(RxD)，該端口在驅動板上可以多路復用。驅動電路向所有器件傳送信號，然后對器件的RxD線路進行監(jiān)控，每個器件都會被選到，系統(tǒng)則將得到的數(shù)據(jù)與預留值進行比較。這種測試系統(tǒng)通常要在驅動板上使用微處理器，以便能進行RS-232C通信及作為故障數(shù)據(jù)緩沖。
?邊界掃描(JTAG): 邏輯器件老化的最新趨勢是采用IEEE 1149.1規(guī)定的方法。該方法也稱為JTAG或邊界掃描測試，它采用五線制(TCK、TDO、TDI、TMS及TRST)電子協(xié)議，可以和并行測試法相媲美。
采用這種方法時，JTAG測試端口和整個系統(tǒng)必須要設計到器件的內(nèi)部。器件上用于JTAG測試的電路屬于專用測試口，用來對器件進行測試，即使器件裝在用戶終端系統(tǒng)上并已開始工作以后，該測試口還可以使用。一般而言，JTAG端口采用很長的串聯(lián)寄存器鏈，可以訪問到所有的內(nèi)部節(jié)點。每個寄存器映射器件的某一功能或特性，于是，訪問器件的某種狀態(tài)只需將該寄存器的狀態(tài)數(shù)據(jù)串行移位至輸出端即可。
采用同樣技術可完成對器件的編程，只不過數(shù)據(jù)是通過JTAG端口串行移位到器件內(nèi)部。IEEE 1149.1的說明里詳細闡述了JTAG端口的操作。
存儲器老化
存儲器老化和測試的線路實現(xiàn)起來相對簡單一些，所有器件通過統(tǒng)一方式寫入，然后單獨選中每個器件，將其存入的數(shù)據(jù)讀出并與原來的值對照。由于具有控制和數(shù)據(jù)采集軟件以及故障數(shù)據(jù)評估報告算法，所以存儲器老化測試對生產(chǎn)商非常有用。
大多數(shù)存儲器件支持多個選通引腳，因而老化測試系統(tǒng)采用簇方式讀回數(shù)據(jù)。某些系統(tǒng)具有很寬的數(shù)據(jù)總線，每一簇可同時讀取多個器件，再由電腦主機或類似的機器對器件進行劃分。增加老化板上的并行信號數(shù)量可提高速度，減少同一條并行信號線所連器件數(shù)，并且降低板子和器件的負載特性。
?易失性存儲器(DRAM和SRAM)
易失性存儲器測試起來是最簡單的，因為它無需特殊算法或時序就可進行多次擦寫。一般是所有器件先同時寫入，然后輪流選中每個器件，讀回數(shù)據(jù)并進行比較。
由于在老化時可重復進行慢速的刷新測試，因此DRAM老化測試能夠為后測工藝節(jié)省大量時間。刷新測試要求先將數(shù)據(jù)寫入存儲器，再等待一段時間使有缺陷的存儲單元放電，然后從存儲器中讀回數(shù)據(jù)，找出有缺陷的存儲單元。將這部分測試放入老化意味著老化后的測試工藝不必再進行這種很費時的檢測，從而節(jié)省了時間。
?非易失性存儲器(EPROM和EEPROM)
非易失性存儲器測試起來比較困難，這是因為在寫入之前必須先將里面的內(nèi)容擦除，這樣使得系統(tǒng)算法更困難一些，通常還必須使用特殊電壓來進行擦除。不過其測試方法基本上是相同的：把數(shù)據(jù)寫入存儲器再用更復雜的算法將其讀回。
老化測試系統(tǒng)性能
有許多因素會影響老化測試系統(tǒng)的整體性能，下面是一些主要方面：
1．首先是測試方法的選擇。理想的情況是器件在老化工藝上花費的時間最少，這樣可以提高總體產(chǎn)量。惡劣的電性能條件有助于故障加速出現(xiàn)，因此能快速進行反復測試的系統(tǒng)可減少總體老化時間。每單位時間里內(nèi)部節(jié)點切換次數(shù)越多，器件受到的考驗就越大，故障也就出現(xiàn)得更快。
2．老化板互連性、PCB設計以及偏置電路的復雜性。老化測試系統(tǒng)可能被有些人稱為高速測試，但是，如果機械連接或老化板本身特性會削弱信號質量，那么測試速度將會是一個問題。如像過多機電性連接會增大整個系統(tǒng)的總電容和電感、老化板設計不良會產(chǎn)生噪聲和串擾、而很差的引腳驅動器設計則會使快速信號沿所需的驅動電流大小受到限制等等，這些都僅是一部分影響速度的瓶頸，另外由于負載過大并存在阻抗、電路偏置以及保護元件值的選擇等也會使老化的性能受到影響。
3．計算機接口與數(shù)據(jù)采集方式。有些老化測試系統(tǒng)采用分區(qū)方法，一個數(shù)據(jù)采集主機控制多個老化板，另外有些系統(tǒng)則是單板式采集。從實際情況來看，單板式方法可以采集到更多數(shù)據(jù)，而且可能還具有更大的測試產(chǎn)量。
4．對高速測試儀程序的下載及轉換能力。有些老化測試系統(tǒng)有自己的測試語言，對需要做100%節(jié)點切換的被測器件不用再開發(fā)程序；而有些系統(tǒng)能夠把高速測試儀程序直接轉換到老化應用上，可以在老化過程中進行更準確的測試。
5．系統(tǒng)提供參數(shù)測試的能力。如果老化測試系統(tǒng)能進行一些速度測試，那么還可得到其他一些相關失效數(shù)據(jù)以進行可靠性研究，這也有助于精簡老化后測試工藝。
6．根據(jù)時間動態(tài)改變測試參數(shù)的能力，如電壓與頻率。如果老化測試系統(tǒng)能夠即時改變參數(shù)，則可以加快通常屬于產(chǎn)品壽命后期階段故障的出現(xiàn)。對于某些器件結構，直流電壓偏置及動態(tài)信號的功率變動都可加速出現(xiàn)晚期壽命故障。
7．計算機主機與測試系統(tǒng)之間的通信。由于功能測試程序非常長，因此測試硬件的設計應盡可能提高速度。一些系統(tǒng)使用較慢的串行通信，如RS-232C或者類似協(xié)議，而另一些系統(tǒng)則使用雙向并行總線系統(tǒng)，大大提高了數(shù)據(jù)流通率。
結束語
在老化過程中進行測試會帶來一些成本問題，但最困難的是找出一個測試方法完成器件所有可能的測試項目。
對邏輯產(chǎn)品而言，JTAG法是一種最通用的老化測試方式，因為器件上的測試端口是一致的，這樣老化硬件線路就可保持不變。
對存儲器而言，在小批量情況下，最好是能有一種對易失性和非易失性存儲器都能進行處理的測試系統(tǒng)；而在大批量情況下，則最好是采用不同的系統(tǒng)以降低成本。
