電子元器件的老化測試

為了達到滿意的合格率，幾乎所有的產品在出廠前都要先進行老化。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？本文將詳細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。

在半導體行業，器件的老化問題一直存在各種爭論，像其他產品一樣，半導體隨時間可能因為各種原因而出現故障，老化就是藉由讓半導體進行超負荷工作而使缺陷在短時間內出現，避免在使用早期發生故障。如果不藉由老化，很多半導體成品由于器件和制造過程復雜性等原因在使用中會產生很多問題。在開始使用后的幾小時到幾天之內出現的缺陷稱為早期故障，老化之后的器件基本上要求100%消除由這段時間造成的故障。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計數據，而大多數生產廠商則希望減少或者取消老化。

老化過程必須要確保工廠的產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據以便用來改進器件的性能。一般來講，老化過程藉由工作環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。主要故障都出現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出現，通常是幾小時而不用幾月或幾年。不是所有的半導體生產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過程比較了解，因此可以預先掌握藉由統計得出的失效預計值。如果實際故障高于預期值，就需要再做老化，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十年前幾乎一樣，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，而且藉由對故障點的監測還能收集到一些有用信息，從總體上節省生產成本，另外，這些信息經統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，目前為止還沒有其它的替代方法。老化依然是在高溫室內進行，給器件加上電子偏壓，大部分時候還是用動態驅動信號。很多公司想減少或者全部取消老化，但是他們又找不到其它可靠的替代方法能夠在產品到達客戶之前把有早期故障的剔除掉，所有看來老化還會長久存在下去。半導體生產廠商另外也希望藉由老化做更多的事，而不是浪費寶貴時間被動地等待組件送來做老化。過去的老化系統設計比較簡單。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并升高溫度，168個小時之后將器件取出進行測試。如果經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送給用戶。如果器件在老化時出現故障，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。實驗室提供的數據將用來對設計和生產過程進行細微調節，但這也表明對可能出現的嚴重故障采取補救措施之前生產已進行了幾個星期。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，甚至還對器件做一些測試。但遺憾的是沒有人能解決老化的根本問題，即減少成本與實踐。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度自動測試系統，在一個電性能條件可調的測試臺上對半導體做測試。它還可疑在標稱性能范圍之外進行，完成功能和參數方面的測試，像信號升降時間子類的參數可精確到皮秒級。也許是因為可控測試環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測量。但在老化的時間，為提高產品的產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，運用特殊的系統設計技術在老化環境下進行速度測試也是可能的。老化系統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而定。可以說對任何器件進行100%功能測試都是可以做得到的，但是這些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約昂貴的高速測試儀器的時間。如果老化后只進行參數測試及很少的功能測試，那么用現在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藉由168小時，這是人們期望發現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據所致。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藉由檢查老化系統生成的實時記錄及時發生產生的故障。盡快掌握老化時間可提高產量，降低器件成本。

3、  及時對生產過程作出反饋。器件故障有時直接對應于某個制造過程或者某生產設備，在故障發生時及時了解信息可立刻解決可能存在的制程缺陷，避免制造出大量不合格產品。

4、  確保老化的運行情況與期望相符。藉由監測老化板上的每個器件，可在老化一開始時就先更換已經壞了的器件，這樣使用者可確保老化板和老化系統按預先設想的狀況運行，沒有產能上的浪費。

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