半导体芯片老化测试座的应用及市场综述

赵世彧

摘要：老化测试是芯片在交付客户使用之前用以剔除早期失效产品的一项重要测试。为了避免反复焊接，不同封装类型的芯片在老化测试中由特制的老化测试座固定在老化板上。本文对老化测试座的应用进行了介绍，并对当前老化测试座的市场现状及中国测试设备公司的机遇和挑战进行了阐述。

关键词：半导体芯片测试;老化测试座;质量控制;工业应用;市场综述

引言

大多数电子产品的故障率随时间变化的曲线呈浴盆曲线。工业界广泛应用老化测试来加速老化以剔除出现早期故障的产品并确保新电子产品设计的长期可靠性。

1概述

1.1半导体芯片的老化测试

半导体器件的可靠性和典型寿命通常可以用浴盆曲线来描述。这是一个产品寿命随时间的变化图形，如图1所示由三个关键时期组成。第一个时期是早期失效期，特点是产品失效率起始值很高，随后急速下降。这一时期的失效主要是由产品设计、材料、工艺或制造过程中的缺陷和失误引起的。第二个时期正常使用期内的失效是随机失效，失效率低且相对恒定。第三个时期失效率逐渐增加，这是由于疲劳而导致的损耗失效。

为了在交付使用之前剔除可能在早期失效的产品，通常需要进行老化测试。将产品置于高的温度和电压等极端操作条件下运行，以加速通过浴盆曲线上的第一个时期。老化测试是保证在产品使用寿命期间减少失效，提高产品可靠性的有效做法。在半导体领域，经过老化测试筛选的很多产品的每百万缺陷品数DPPM（DefectivePartsPerMillion）可接近于零。老化测试的结果还可以用来预测产品的使用寿命并改进设计和制造封装工艺。

1.2老化板和老化测试座

芯片设计的时候通常需要设计一些测试链以备测试时使用。测试有很多种，分阶段进行且工序繁杂，大致分为晶圆测试和封装后芯片成品测试。老化测试是在封装后进行的加速寿命测试，主要包括在高温高压条件下进行的电压测试，电流测试，时序特性测试和功能测试等。为了避免芯片测试时的反复焊接，需要根据芯片的封装类型专门设计测试插座并将测试座安装在测试电路板上进行生产测试。每块测试电路板上可以排列几十个甚至上百个测试座。测试座下面顶针构成的阵列与芯片的封装类型相匹配，测试时由自动机械手将芯片装入测试座中进行测试。

在老化测试期间，老化板和老化座与被测芯片一起长时间处在最高额定工作条件的电流电压和温度下，甚至工作条件可以超出最高额定值，例如极端情况下老化室的温度可达到250oC或300oC。老化板和老化座的设计与普通测试用的标准印刷电路板和测试座非常相似，此外所有材料和元件都应符合高温要求。可靠性是设计和制造老化板和老化座时要考虑的最重要的一个方面，一定要确保老化板不会在被测设备失效之前出故障。老化板和老化座通常由高级耐用材料制成。对于125℃以下的老化测试，可使用高耐热的FR4，FR5材料;对于高达250℃的较高温度老化测试，可使用聚酰亚胺;对于超过250℃高达300℃的极高温度老化测试，可使用更高等级的聚酰亚胺。

2老化测试的分类

产品正常使用的早期故障期从几天到几个月不等。老化测试通过升温，增加压力，提高电压，或加载动态信号等方法模拟极端的工作条件，可以将早期故障期缩短到几天甚至几小时之内。常用的老化测试有静态老化，动态老化和带有实时功能监测的动态老化几种。老化测试通常可分为多个阶段进行以节省测试成本。

静态老化测试是指通过升高温度或电压将非工作状态的电子元器件暴露在极端温度和电压下加速老化。静态老化通常可分成低负荷状态和高负荷状态两个阶段进行。电子性能的测试可以在两个阶段之间或者在两个阶段完成之后进行。静态老化的优点是成本低且操作简单。静态老化的主要局限是在测试集成电路设备时的有效性不高。

动态老化测试是指在升高温度或电压的同时对电子元器件输入各种信号以模拟工作状态。动态老化的优点是能够对电子器件中更多的内部电路加载，从而诱导出额外的故障机制。动态老化的主要局限是无法完全模拟实际使用过程中遇到的真实情况。

带有实时功能监测的动态老化测试主要适用于器件和设备。在动态老化测试过程中实时监测主要输出数据以验证器件和设备是否处于正常工作状态。这种类型的老化测试可快速确定产品失效与时间的关系，并以此优化老化测试的设计。在动态老化测试中使用实时输出监测的另一个优点是能够在老化周期结束之后即可对产品进行测试，而无需将产品转接到另外的测试器中。

在老化测试期间检测到的常见故障有介电故障，导体故障和金属涂层故障等。这些故障在加速老化条件下会使产品短期内失效。

3老化测试结构设计

3.1老化失效预测框架

之所以要建立老化失效预测框架，主要是因为电路老化状态能够被实时监测，即老化电路信息会直观显示，当电路老化现象发生后，那么系统则会在第一时间发出警报，相关工作人员在警报的提示下会全面检测，避免电路老化损失持续扩大。设计框架的过程中，组成部分主要包括两方面，第一方面即监控块，第二方面即触发器，前者主要是用来检测是否存在信號跳变现象，后者主要是用来预测、传递电路老化信号，以免发生电路方面的经济损失。老化失效预测框架具有良好的应用前景，相关学者应在这一方面深入探究，大大提高预测框架的应用率。

3.2稳定校验电路结构

电路结构校验的过程中常用稳定校验器这一装置，除了这一装置属于老化传感器的组成部分之外，还包括输出锁存器、延迟单元两部分，其中，稳定校验器能够完成信号采样工作;延时单元在保护带间隔方面起着重要作用，它主要用来产生延时信号;最后一部分的作用即输出稳定信号，完成信息结果存储这一工作。老化传感器实际应用的过程中，首先要获取时钟信号，接下来对所获取的时钟信号进行反向输出，待延时时间产生后，则时钟信号能够和上述产生的信号完成逻辑运算，最终形成信号检测区域，针对逻辑电路获取的信号进行区域检验，以此判断电路老化。预测稳定性检验电路实际应用的过程中存在一定问题，其中，延迟单元的应用成本相对较高，并且监测窗口变化多样;老化效应受结构影响存在差异，个别老化效应具有隐蔽性。

3.3先前采样电路结构

电路结构采样的过程中，应用预测先前采样电路结构完成采样任务，这一结构的组成框架主要包括系统触发器、预采样触发器两部分，两个触发器的输出信号均参加逻辑运算，最终生成信号的信号。由于这两种触发器存在相似的老化效应，进而在延迟单元的作用下，极易出现老化路径隐藏现象，最终影响保护带的稳定性，预测结果也会失去准确性。应用这一电路结构完成采样活动时，会不同程度的增加电路使用成本，同时，还会降低保护带稳定性，监测窗口大小得不到合理控制。

结语

中国半导体行业协会在2019年5月召开的世界半导体大会上表示2018年中国集成电路进口额已超过3000亿美元。今后技术和设备的自主化将变得更加重要，这也给中国企业提供了机遇。中国企业在全球封装市场占有率已达到25%，封装后的老化测试及相关技术设备市场有很大的发展空间。中国的测试设备公司在今后的几年内应致力于设计研发和批量生产，为最新的封装器件提供可靠的老化测试座以满足市场需求。

参考文献

[1]吕磊，田云，曹韧桩，尹燕恒.数字集成电路老化测试技术[J].电子技术与软件工程，2017（24）：98.

[2]苏秦.现代质量管理学[M].北京：清华大学出版社，2005：377-378.

[3]朱卫良.集成电路动态老化新技术的实施[J].电子与封装，2008，（11）：12-15.

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