從原理到應用，深刻解讀杭可儀器全新一代老化測試機臺
引言
近年來，半導體芯片在國內和國際上的影響力越來越大。眾所周知，半導體是電子產品的基石，被譽為“工業(yè)糧食”。目前，中國是世界上最大的芯片市場，每年需要大批量進口芯片。2020年中國進口芯片超2.4萬億，相比之下，2020年石油原油進口總額約為1.22萬億，意味著國內芯片進口規(guī)模超過了石油一倍，依然是國內進口規(guī)模最大的行業(yè)之一。
隨著信息技術的迅猛發(fā)展，半導體集成電路成為戰(zhàn)略武器系統、航空航天電子設備、工業(yè)控制、汽車電子等科技領域的核心部件，集成電路的可靠性成為制約各行各業(yè)硬件設施可靠性的關鍵因素，其重要性甚至不亞于集成電路的電氣性能指標本身。
由于集成電路生產過程結構精細、工藝復雜、流程繁瑣，不可避免地會在生產過程中留下潛在缺陷，使器件的可靠性水平不能達到設計要求，存在諸多可靠性問題。如何盡早使集成電路的故障暴露出來，在使用前將其篩出，是提高芯片使用可靠性的重要手段。老化試驗就是將產品早期故障剔除的無損試驗手段。
老化原理及作用
半導體器件的可靠性和典型壽命通?？梢杂迷∨枨€來描述(圖1)。這是一個產品壽命隨時間的變化圖形，如圖所示由三個關鍵時期組成。第一個時期是早期失效期，特點是產品失效率起始值很高，隨后急速下降。這一時期的失效主要是由產品設計、材料、工藝或制造過程中的缺陷和失誤引起的。第二個時期正常使用期內的失效是隨機失效，失效率低且相對恒定。第三個時期失效率逐漸增加，這是由于疲勞而導致的損耗失效。
圖1同時表明，在常溫和器件額定工作條件下進行常規(guī)或自然老化，將需要多達1000小時才能使器件度過其早期失效期，很不經濟。實踐證明，如果在加載額定電氣條件的同時提高老化溫度(如：125℃)，就能使缺陷加速暴露而在較短時間(如：48小時)內產生早期失效，這就是所謂的高溫老化。集成電路的高溫老化測試對集成電路的可靠性起著極為關鍵的作用。
老化試驗的目的主要是剔除有缺陷的、可能發(fā)生早期失效的產品，是一種無損的篩選試驗技術。老化篩選可以保證電子元器件的質量，將經過老化篩選的器件用到電子設備上，無疑能減少故障，提高整機的質量。
老化試驗又分為靜態(tài)老化和動態(tài)老化，靜態(tài)老化是指被測器件雖然被加上了電源偏置，但是其內部晶體管沒有動作起來。只有被測器件內部晶體管動作起來的老化，才被稱為動態(tài)老化，是現在最通用的老化試驗技術。這種老化又分為動態(tài)激勵老化和功能性老化。動態(tài)激勵老化由不同頻率的時鐘信號對被測器件進行動態(tài)激勵，功能性老化則是模擬實際使用狀態(tài)對被測器件施加信號。功能性老化試驗能使被測器件更多的內部節(jié)點動作起來，被認為是探測有缺陷器件的一種更好的方法。
功能性老化是動態(tài)老化的一種，其典型的表現形式為老化中測試TDBI(Test-During-Burn-In)，是指將老化與電性能測試有機地結合在一起的方法。TDBI要求在整個老化實驗過程中可以檢測老化板上每一個器件所有管腳的輸入激勵信號和輸出信號。對被測器件進行功能性老化，對老化所使用的儀器設備要求特別高，既有測試設備的功能又有老化設備的功能，費用非常昂貴。但是由于該技術本身所具有的優(yōu)勢，還是被業(yè)界許多廠家所采納。特別是針對當前復雜的VLSI，TDBI能夠提供多種復雜信號及向量集，確保老化效果。能優(yōu)化老化時間，當失效率達到穩(wěn)定水平后，就終止老化，由于每批器件的老化時間可能相距甚遠，可以節(jié)省可觀的成本?？删_地檢測故障至單元級，由此可進行失效機理分析以改進制造工藝?？蓹z測到“可恢復性”故障，某些器件在老化過程中失效，但在冷卻時又復原并能通過后續(xù)的電測試，只有TDBI能檢測這類器件缺陷。
大規(guī)模集成電路的一般老化辦法
集成電路老化測試是在封裝后進行的加速壽命測試，主要包括在高溫高壓條件下進行的電壓測試，電流測試，時序特性測試和功能測試等。大規(guī)模集成電路老化技術與傳統的電子元器件老化技術從根本上來說，其原理和作用相同，但由于大規(guī)模集成電路的功能非常復雜，采用什么樣的向量對其進行老化是非常棘手的，但又是十分關鍵的。一般情況下，忽略被測器件的具體結構，僅從功能上考慮老化向量集，以確定被測器件是否能正確地執(zhí)行其功能。如下將以FPGA和DSP兩類常見的大規(guī)模數字芯片為例來說明其一般老化方法。
對于FPGA和DSP這類VLSI系統級芯片，通常根據芯片應用情況，組合成最小應用系統進行功能性老化。其主要老化過程是在高溫高壓條件下進行掃描鏈測試(Scan Test)和內建自測試(Built-in Self Test)，即通過外部激勵向量或芯片內部自運行老化測試程序模塊化、層次化地驗證組合及時序邏輯以及各功能模塊。激勵向量和測試程序盡可能模擬實際工作狀態(tài)，使電路內部的邏輯單元都有機會得到翻轉，實現高覆蓋率。老化機臺及被老化芯片通常遵循如下的老化流程(圖2)。
圖2 大規(guī)模集成電路老化流程
首先，老化機臺配置老化芯片所需的各規(guī)格供電電源(DPS)，并通過其I/O口控制老化芯片加載老化測試程序，FPGA需外掛Flash加載程序而DSP老化前需預燒錄老化測試程序。程序加載完成后，老化機臺啟動被老化芯片的老化測試過程。
其次，老化芯片自行完成功能性老化測試。通常老化測試涉及多個模塊和功能的驗證，其結果按測試項目順序存入芯片自定義的內部寄存器(變量)中。按照芯片功能結構特點，FPGA和DSP可采用的功能測試驗證項目如下表所示(表1)。表中老化測試項目可依據老化目的、芯片應用場景和老化成本做相應增減。
表1 FPGA/DSP功能老化測試項
最后，老化機臺通過通信接口(如：SPI)獲取被老化芯片老化測試結果并控制結束單次老化流程。實際的老化試驗(篩選)過程則是上述單次老化流程的循環(huán)執(zhí)行并包括詳細的數據記錄和結果報告。
新一代國產老化測試機臺LSIC2000
集成電路的高溫動態(tài)老化在國外主要集中在集成電路制造廠及專業(yè)老化測試服務公司，其老化測試臺專用性強、容量大但通用性差。在我國，集成電路的老化篩選主要集中在國家重點研究所和整機廠進行二次老化篩選，要求相應的老化設備具有小批量、多品種的特性，即能夠同時對多種不同類型、不同規(guī)模的集成電路進行老化篩選。
針對上述的特殊需求，國內的可靠性設備廠已自主開發(fā)了三代集成電路高溫動態(tài)老化系統，如90年代中期開發(fā)的第3代老化臺ELEA/BTI200系列等。隨著集成電路產品的飛速發(fā)展，多管腳封裝芯片、大規(guī)模微處理器及大容量存儲器的應用日益廣泛，國內現有的集成電路老化系統已不能滿足需求。另外，國軍標(GJB)的貫徹實施也對集成電路的高溫動態(tài)老化提出了新的要求和規(guī)范。
針對前述高溫動態(tài)老化(Dynamic Burn-in)及老化中測試(TDBI)的需求，浙江杭可儀器有限公司成功研發(fā)出新一代大規(guī)模集成電路老化測試機臺LSIC2000(圖3)。該機臺全面兼容和對標國際領先機型，并具有明顯的性價比優(yōu)勢，成為國內半導體先進設備國產替代的最佳選擇。
圖3 LSIC2000大規(guī)模老化測試機臺
圖4 LSIC2000上位機操作界面示例
結束語
高溫老化試驗仍然是目前最行之有效的保證集成電路芯片質量和可靠性的篩選方法。靜態(tài)老化對于大規(guī)模集成電路而言有明顯的缺陷和不足，因此動態(tài)老化及老化中測試是解決這一問題的關鍵方法。
針對FPGA和DSP兩類最常見的大規(guī)模集成電路芯片，本文對其一般老化方法、流程進行了詳盡說明。但由于VLSI系統級芯片種類繁多結構復雜，制定出相應的規(guī)范標準及老化方法和結果評價體系仍然是集成電路可靠性保障工作的重要課題之一。
新一代國產老化測試機臺LSIC2000以大規(guī)模集成電路為老化對象，能滿足高溫動態(tài)老化及老化中測試的高端需求，全面兼容和對標國際領先機型，為半導體先進設備國產替代提供了最佳選擇。