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走出商用现货元件强化筛选的误区
解决方案:授权产品改进与制造

【作者: 羅徹斯特電子】2020年10月20日 星期二

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电子行业,半导体商用现货(Commercial Off-The-Shelf;COTS)元件强化筛选的价值与有效性是人们常常争论的一个话题。现成商用元件的强化筛选是指通过电气测试对商用级半导体元件进行筛选,从中筛选出符合最终应用所需的扩展电气与环境条件的元件。其问题在於强化筛选的条件通常超出半导体元件原始设计叁数的范围,而且对具体零组件的长期可靠性进行测试和强化筛选根本无法实现。



图一 : 现成商用元件的强化筛选的问题,在於强化筛选的条件通常超出半导体元件原始设计叁数的范围,而且对具体零组件的长期可靠性进行测试和强化筛选根本无法实现。
图一 : 现成商用元件的强化筛选的问题,在於强化筛选的条件通常超出半导体元件原始设计叁数的范围,而且对具体零组件的长期可靠性进行测试和强化筛选根本无法实现。

20 世纪 90 年代,美国颁布《联邦采购精简法案》(FASA),COTS 首次纳入法律范畴。与当今的现代技术相比,当时的技术节点尺寸更大、设计叁数范围更宽,因此风险更低、电子元件的可靠性也更高。


实际上,对於先前的测试,经过筛选的多种可靠产品版本都是采用同一矽晶片实现的。如今,虽然军工应用所要求的电气与环境条件未随着拓扑结构的简化而发生变化,但 PVT(制程、电压、温度)设计限值却在不断变化。此外,由於美国国防部(DoD)在监督和指导半导体技术方面对原始零组件制造商(OCM)的影响力下降,因此有时在军工应用中不得不选择COTS元件。尽管如此,如果可以获得经过授权并符合要求的元件,绝不应出於成本因素的考虑而使用经过强化筛选的元件。


「强化筛选」存在的问题

· 强化筛选(PVT)可能会降低可靠性


· 强化筛选的隐性成本可能高於高可靠性元元件的成本


· 并非所有强化筛选的标准都相同


熟悉半导体测试的人都了解,测试过程是测试品质而非测试可靠性的过程。我们能够在任意时


间点测定元件的品质,但无法测试元件的可靠性。PVT 强化筛选的结温条件高於元件晶片的设计值,而结温对积体电路的长期可靠性具有重要的决定性作用。


随着技术节点进一步缩小,泄露电流对现代半导体元件整体功率密度的影响越来越明显。泄露电流会随着温度升高而呈对数增大,导致晶片结温升高,从而对长期可靠性造成不利影响。而商用半导体元件的热功率管理并不足以使晶片温度完全恢复到正常水准,因此元元件的寿命会缩短。


温度上升和电压升高会引发多种失效机理,金属迁移便是其中的一种。在矽晶片实现层面,对 COTS 设计进行物理布局时,遵从的是适用於商用元件工作温度与电压范围的金属间距及厚度设计规则。换言之,根据摩尔定律,假定的商用元件工作电压和温度范围会促使电晶体尺寸和互连间距缩小。无论目标技术节点如何,COTS 设计都会进行设计规则检查(DRC)。


而 DRC 验证档是晶圆厂所专有的,将其整合在一起的费用极其高昂。DRC 验证档需要创建两次(一次面向商业应用,另一次面向扩展/军工应用)。任何经过商用 DRC 验证档核准的设计,均采用具有相应金属迁移寿命的假定商用元件间距和厚度。对於经过商用 DRC 核准的设计,若提升其温度和电压,产品的寿命必然会缩短,并且会随着温度升高以几何或对数速度下降。简而言之,除非预先设计如此,否则可靠性将会大打折扣,而且如前文所述,产品的可靠性无法测试。


在处理强化筛选的元件时,还会为强化筛选流程引入另一项风险。若采用的控制措施或强化筛选方法不当,可能会引入静电放电(ESD)/过度电性应力(EOS)风险。这会引发隐性缺陷这一最危险的风险,也就是说,元件可以通过强化筛选流程,但其工作并不正常。尽管元件通过了强化筛选流程,但在系统中工作时,很可能很快就会失效。


测试品质最难以量化,并且就测试程式剔除未通过强化筛选的元件的能力而言,测试品质产生的影响远远超出其他任何因素。低品质测试程式不仅根本无法识别失效元件,还可能导致元件处於危险状态,弊大於利。在许多情况下,对於采用特殊测试模式以及结构化测试技术的复杂元件,需要采用元元件制造商的测试程式来执行适当的测试。


COTS 元件是特徵明确且以更大尺寸的技术节点制造的简单元件,尽管最初选用 COTS 元件的目的是为了降低成本,但现在我们得知,强化筛选的隐性成本会快速超出高可靠性元件的成本。并且元件在超出原始设计叁数范围的环境和条件下工作时,需要采用额外的测试流程和计画,需要掌握特徵化资讯并执行品质一致性检验(QCI)。此时,需要考量以下因素:














































考量因素



影响



元件是否已经过全面测试



需要一次性工程费用来开发更多测试



故障覆盖率达到多少才符合要求



需要执行工程评估并提高向量覆盖率



优化和关联技术是否有效



提高叁数测试覆盖率



元件是否经过全面的特徵化测试



需要执行工程工作提高特徵化测试覆盖率



是否需要降低性能



需要执行工程分析增加成本



QCI 覆盖率需要达到什麽水准



提高 QCI 覆盖率增加成本



破坏性物理分析 DPA 覆盖率需要达到什麽水准



提高 DPA 覆盖率增加成本



存在哪些无形成本



比计画延迟



实际测试解决方案的品质如何



需要执行深入的工程评估增加成本



要提高测试覆盖率,需要执行大量工程工作、耗费大量时间。并且,由於元件在原始设计叁数范围之外工作时,制造工艺的差异会显现出来,这就要求每个元件和晶元批次都需要达到更高的测试覆盖率。一旦元件工作条件超出 SPC(统计程序控制)适用的设计叁数范围,商业晶圆厂采用 SPC 控制品质的论点很快就会站不住脚。


解决方案:授权产品改进与制造

了解了上述背景和强化筛选的问题後,读者需要考虑以下两个问题。第一,我是否愿意承受 COTS 强化筛选给关键系统带来的可靠性和使用寿命风险?第二,如果第一个问题的答案是否定的,那麽我可以采用哪些替代方案?


下文将介绍一种解决方案。通过罗彻斯特电子的授权产品改进与制造获得所需的元件,而不选用标准 COTS 元件。罗彻斯特电子可以使用高可靠性材料和流程制造许多零组件制造商不再供应的半导体元件。这一过程再结合罗彻斯特电子独特的增值服务、强大的自主生产能力以及零组件制造商的完全授权(通常包括源测试解决方案),能够使用原厂晶圆进一步制造更多具有高可靠性的半导体元件。整个制造流程均根据需要遵照被认可的 B 级、Q 级和 V 级元件标准 MIL-STD 流程实施,并且严格遵守所有生产要求(5004 方法)和品质一致性检验要求(5005 方法)。


罗彻斯特电子采用高可靠性制造流程能够生产出完全符合 MIL-STD 标准的元件,来代替以往仅能在 COTS 市场获得的元件。此外,还能实现零组件制造商以往所不能提供的独特引脚布局,甚至独特的封装。



图二 : 罗彻斯特电子产品的优势。
图二 : 罗彻斯特电子产品的优势。

罗彻斯特电子已获得70多家零组件制造商的官方授权。透过这种独特的合作关系有权获得原厂制造资讯和测试方案,凸显了有别於协力厂商测试实验室的优势。而那些未经授权的测试以及低故障覆盖率的低品质测试,最乐观的情况是产生具有误导性的结果,从品质和可靠性两方面来看往往都是弊大於利。


尽管多大强度的 COTS 强化筛选都无法测试出元件的可靠性,但适当的测试仍有助於识别潜在的可靠性故障。让授权产品改进及高可靠性制造流程有助於在确保测试品质的同时,保证达到关键系统所需的元件可靠性。


**刊头图 ( source : ElectronicsB2B )


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