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走出商用現貨元件強化篩選的誤區
解決方案:授權產品改進與製造

【作者: 羅徹斯特電子】   2020年10月20日 星期二

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電子行業,半導體商用現貨(Commercial Off-The-Shelf;COTS)元件強化篩選的價值與有效性是人們常常爭論的一個話題。現成商用元件的強化篩選是指通過電氣測試對商用級半導體元件進行篩選,從中篩選出符合最終應用所需的擴展電氣與環境條件的元件。其問題在於強化篩選的條件通常超出半導體元件原始設計參數的範圍,而且對具體零組件的長期可靠性進行測試和強化篩選根本無法實現。



圖一 : 現成商用元件的強化篩選的問題,在於強化篩選的條件通常超出半導體元件原始設計參數的範圍,而且對具體零組件的長期可靠性進行測試和強化篩選根本無法實現。
圖一 : 現成商用元件的強化篩選的問題,在於強化篩選的條件通常超出半導體元件原始設計參數的範圍,而且對具體零組件的長期可靠性進行測試和強化篩選根本無法實現。

20 世紀 90 年代,美國頒佈《聯邦採購精簡法案》(FASA),COTS 首次納入法律範疇。與當今的現代技術相比,當時的技術節點尺寸更大、設計參數範圍更寬,因此風險更低、電子元件的可靠性也更高。


實際上,對於先前的測試,經過篩選的多種可靠產品版本都是採用同一矽晶片實現的。如今,雖然軍工應用所要求的電氣與環境條件未隨著拓撲結構的簡化而發生變化,但 PVT(製程、電壓、溫度)設計限值卻在不斷變化。此外,由於美國國防部(DoD)在監督和指導半導體技術方面對原始零組件製造商(OCM)的影響力下降,因此有時在軍工應用中不得不選擇COTS元件。儘管如此,如果可以獲得經過授權並符合要求的元件,絕不應出於成本因素的考慮而使用經過強化篩選的元件。


「強化篩選」存在的問題

‧ 強化篩選(PVT)可能會降低可靠性


‧ 強化篩選的隱性成本可能高於高可靠性元元件的成本


‧ 並非所有強化篩選的標準都相同


熟悉半導體測試的人都瞭解,測試過程是測試品質而非測試可靠性的過程。我們能夠在任意時


間點測定元件的品質,但無法測試元件的可靠性。PVT 強化篩選的結溫條件高於元件晶片的設計值,而結溫對積體電路的長期可靠性具有重要的決定性作用。


隨著技術節點進一步縮小,洩露電流對現代半導體元件整體功率密度的影響越來越明顯。洩露電流會隨著溫度升高而呈對數增大,導致晶片結溫升高,從而對長期可靠性造成不利影響。而商用半導體元件的熱功率管理並不足以使晶片溫度完全恢復到正常水準,因此元元件的壽命會縮短。


溫度上升和電壓升高會引發多種失效機理,金屬遷移便是其中的一種。在矽晶片實現層面,對 COTS 設計進行物理佈局時,遵從的是適用於商用元件工作溫度與電壓範圍的金屬間距及厚度設計規則。換言之,根據摩爾定律,假定的商用元件工作電壓和溫度範圍會促使電晶體尺寸和互連間距縮小。無論目標技術節點如何,COTS 設計都會進行設計規則檢查(DRC)。


而 DRC 驗證檔是晶圓廠所專有的,將其整合在一起的費用極其高昂。DRC 驗證檔需要創建兩次(一次面向商業應用,另一次面向擴展/軍工應用)。任何經過商用 DRC 驗證檔核准的設計,均採用具有相應金屬遷移壽命的假定商用元件間距和厚度。對於經過商用 DRC 核准的設計,若提升其溫度和電壓,產品的壽命必然會縮短,並且會隨著溫度升高以幾何或對數速度下降。簡而言之,除非預先設計如此,否則可靠性將會大打折扣,而且如前文所述,產品的可靠性無法測試。


在處理強化篩選的元件時,還會為強化篩選流程引入另一項風險。若採用的控制措施或強化篩選方法不當,可能會引入靜電放電(ESD)/過度電性應力(EOS)風險。這會引發隱性缺陷這一最危險的風險,也就是說,元件可以通過強化篩選流程,但其工作並不正常。儘管元件通過了強化篩選流程,但在系統中工作時,很可能很快就會失效。


測試品質最難以量化,並且就測試程式剔除未通過強化篩選的元件的能力而言,測試品質產生的影響遠遠超出其他任何因素。低品質測試程式不僅根本無法識別失效元件,還可能導致元件處於危險狀態,弊大於利。在許多情況下,對於採用特殊測試模式以及結構化測試技術的複雜元件,需要採用元元件製造商的測試程式來執行適當的測試。


COTS 元件是特徵明確且以更大尺寸的技術節點製造的簡單元件,儘管最初選用 COTS 元件的目的是為了降低成本,但現在我們得知,強化篩選的隱性成本會快速超出高可靠性元件的成本。並且元件在超出原始設計參數範圍的環境和條件下工作時,需要採用額外的測試流程和計畫,需要掌握特徵化資訊並執行品質一致性檢驗(QCI)。此時,需要考量以下因素:














































考量因素



影響



元件是否已經過全面測試



需要一次性工程費用來開發更多測試



故障覆蓋率達到多少才符合要求



需要執行工程評估並提高向量覆蓋率



優化和關聯技術是否有效



提高參數測試覆蓋率



元件是否經過全面的特徵化測試



需要執行工程工作提高特徵化測試覆蓋率



是否需要降低性能



需要執行工程分析增加成本



QCI 覆蓋率需要達到什麼水準



提高 QCI 覆蓋率增加成本



破壞性物理分析 DPA 覆蓋率需要達到什麼水準



提高 DPA 覆蓋率增加成本



存在哪些無形成本



比計畫延遲



實際測試解決方案的品質如何



需要執行深入的工程評估增加成本



要提高測試覆蓋率,需要執行大量工程工作、耗費大量時間。並且,由於元件在原始設計參數範圍之外工作時,製造工藝的差異會顯現出來,這就要求每個元件和晶元批次都需要達到更高的測試覆蓋率。一旦元件工作條件超出 SPC(統計程序控制)適用的設計參數範圍,商業晶圓廠採用 SPC 控制品質的論點很快就會站不住腳。


解決方案:授權產品改進與製造

瞭解了上述背景和強化篩選的問題後,讀者需要考慮以下兩個問題。第一,我是否願意承受 COTS 強化篩選給關鍵系統帶來的可靠性和使用壽命風險?第二,如果第一個問題的答案是否定的,那麼我可以採用哪些替代方案?


下文將介紹一種解決方案。通過羅徹斯特電子的授權產品改進與製造獲得所需的元件,而不選用標準 COTS 元件。羅徹斯特電子可以使用高可靠性材料和流程製造許多零組件製造商不再供應的半導體元件。這一過程再結合羅徹斯特電子獨特的增值服務、強大的自主生產能力以及零組件製造商的完全授權(通常包括源測試解決方案),能夠使用原廠晶圓進一步製造更多具有高可靠性的半導體元件。整個製造流程均根據需要遵照被認可的 B 級、Q 級和 V 級元件標準 MIL-STD 流程實施,並且嚴格遵守所有生產要求(5004 方法)和品質一致性檢驗要求(5005 方法)。


羅徹斯特電子採用高可靠性製造流程能夠生產出完全符合 MIL-STD 標準的元件,來代替以往僅能在 COTS 市場獲得的元件。此外,還能實現零組件製造商以往所不能提供的獨特引腳佈局,甚至獨特的封裝。



圖二 : 羅徹斯特電子產品的優勢。
圖二 : 羅徹斯特電子產品的優勢。

羅徹斯特電子已獲得70多家零組件製造商的官方授權。透過這種獨特的合作關係有權獲得原廠製造資訊和測試方案,凸顯了有別於協力廠商測試實驗室的優勢。而那些未經授權的測試以及低故障覆蓋率的低品質測試,最樂觀的情況是產生具有誤導性的結果,從品質和可靠性兩方面來看往往都是弊大於利。


儘管多大強度的 COTS 強化篩選都無法測試出元件的可靠性,但適當的測試仍有助於識別潛在的可靠性故障。讓授權產品改進及高可靠性製造流程有助於在確保測試品質的同時,保證達到關鍵系統所需的元件可靠性。


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