引言

  近年來，半導(dǎo)體芯片在國內(nèi)和國際上的影響力越來越大。眾所周知，半導(dǎo)體是電子產(chǎn)品的基石，被譽(yù)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(jìn)口芯片。2020年中國進(jìn)口芯片超2.4萬億，相比之下，2020年石油原油進(jìn)口總額約為1.22萬億，意味著國內(nèi)芯片進(jìn)口規(guī)模超過了石油一倍，依然是國內(nèi)進(jìn)口規(guī)模最大的行業(yè)之一。

  隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路成為戰(zhàn)略武器系統(tǒng)、航空航天電子設(shè)備、工業(yè)控制、汽車電子等科技領(lǐng)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(shè)施可靠性的關(guān)鍵因素，其重要性甚至不亞于集成電路的電氣性能指標(biāo)本身。

  由于集成電路生產(chǎn)過程結(jié)構(gòu)精細(xì)、工藝復(fù)雜、流程繁瑣，不可避免地會(huì)在生產(chǎn)過程中留下潛在缺陷，使器件的可靠性水平不能達(dá)到設(shè)計(jì)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(yàn)就是將產(chǎn)品早期故障剔除的無損試驗(yàn)手段。

      老化原理及作用

  半導(dǎo)體器件的可靠性和典型壽命通常可以用浴盆曲線來描述(圖1)。這是一個(gè)產(chǎn)品壽命隨時(shí)間的變化圖形，如圖所示由三個(gè)關(guān)鍵時(shí)期組成。第一個(gè)時(shí)期是早期失效期，特點(diǎn)是產(chǎn)品失效率起始值很高，隨后急速下降。這一時(shí)期的失效主要是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、工藝或制造過程中的缺陷和失誤引起的。第二個(gè)時(shí)期正常使用期內(nèi)的失效是隨機(jī)失效，失效率低且相對(duì)恒定。第三個(gè)時(shí)期失效率逐漸增加，這是由于疲勞而導(dǎo)致的損耗失效。

  圖1同時(shí)表明，在常溫和器件額定工作條件下進(jìn)行常規(guī)或自然老化，將需要多達(dá)1000小時(shí)才能使器件度過其早期失效期，很不經(jīng)濟(jì)。實(shí)踐證明，如果在加載額定電氣條件的同時(shí)提高老化溫度(如：125℃)，就能使缺陷加速暴露而在較短時(shí)間(如：48小時(shí))內(nèi)產(chǎn)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(duì)集成電路的可靠性起著極為關(guān)鍵的作用。

  老化試驗(yàn)的目的主要是剔除有缺陷的、可能發(fā)生早期失效的產(chǎn)品，是一種無損的篩選試驗(yàn)技術(shù)。老化篩選可以保證電子元器件的質(zhì)量，將經(jīng)過老化篩選的器件用到電子設(shè)備上，無疑能減少故障，提高整機(jī)的質(zhì)量。

  老化試驗(yàn)又分為靜態(tài)老化和動(dòng)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(nèi)部晶體管沒有動(dòng)作起來。只有被測器件內(nèi)部晶體管動(dòng)作起來的老化，才被稱為動(dòng)態(tài)老化，是現(xiàn)在最通用的老化試驗(yàn)技術(shù)。這種老化又分為動(dòng)態(tài)激勵(lì)老化和功能性老化。動(dòng)態(tài)激勵(lì)老化由不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)被測器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)激勵(lì)，功能性老化則是模擬實(shí)際使用狀態(tài)對(duì)被測器件施加信號(hào)。功能性老化試驗(yàn)?zāi)苁贡粶y器件更多的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)動(dòng)作起來，被認(rèn)為是探測有缺陷器件的一種更好的方法。

  功能性老化是動(dòng)態(tài)老化的一種，其典型的表現(xiàn)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(jī)地結(jié)合在一起的方法。TDBI要求在整個(gè)老化實(shí)驗(yàn)過程中可以檢測老化板上每一個(gè)器件所有管腳的輸入激勵(lì)信號(hào)和輸出信號(hào)。對(duì)被測器件進(jìn)行功能性老化，對(duì)老化所使用的儀器設(shè)備要求特別高，既有測試設(shè)備的功能又有老化設(shè)備的功能，費(fèi)用非常昂貴。但是由于該技術(shù)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(duì)當(dāng)前復(fù)雜的VLSI，TDBI能夠提供多種復(fù)雜信號(hào)及向量集，確保老化效果。能優(yōu)化老化時(shí)間，當(dāng)失效率達(dá)到穩(wěn)定水平后，就終止老化，由于每批器件的老化時(shí)間可能相距甚遠(yuǎn)，可以節(jié)省可觀的成本。可精確地檢測故障至單元級(jí)，由此可進(jìn)行失效機(jī)理分析以改進(jìn)制造工藝?？蓹z測到“可恢復(fù)性”故障，某些器件在老化過程中失效，但在冷卻時(shí)又復(fù)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(jìn)行的加速壽命測試，主要包括在高溫高壓條件下進(jìn)行的電壓測試，電流測試，時(shí)序特性測試和功能測試等。大規(guī)模集成電路老化技術(shù)與傳統(tǒng)的電子元器件老化技術(shù)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(fù)雜，采用什么樣的向量對(duì)其進(jìn)行老化是非常棘手的，但又是十分關(guān)鍵的。一般情況下，忽略被測器件的具體結(jié)構(gòu)，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(shù)字芯片為例來說明其一般老化方法。

  對(duì)于FPGA和DSP這類VLSI系統(tǒng)級(jí)芯片，通常根據(jù)芯片應(yīng)用情況，組合成最小應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行功能性老化。其主要老化過程是在高溫高壓條件下進(jìn)行掃描鏈測試(Scan Test)和內(nèi)建自測試(Built-in Self Test)，即通過外部激勵(lì)向量或芯片內(nèi)部自運(yùn)行老化測試程序模塊化、層次化地驗(yàn)證組合及時(shí)序邏輯以及各功能模塊。激勵(lì)向量和測試程序盡可能模擬實(shí)際工作狀態(tài)，使電路內(nèi)部的邏輯單元都有機(jī)會(huì)得到翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高覆蓋率。老化機(jī)臺(tái)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(jī)臺(tái)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，F(xiàn)PGA需外掛Flash加載程序而DSP老化前需預(yù)燒錄老化測試程序。程序加載完成后，老化機(jī)臺(tái)啟動(dòng)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(gè)模塊和功能的驗(yàn)證，其結(jié)果按測試項(xiàng)目順序存入芯片自定義的內(nèi)部寄存器(變量)中。按照芯片功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，F(xiàn)PGA和DSP可采用的功能測試驗(yàn)證項(xiàng)目如下表所示(表1)。表中老化測試項(xiàng)目可依據(jù)老化目的、芯片應(yīng)用場景和老化成本做相應(yīng)增減。

表1 FPGA/DSP功能老化測試項(xiàng)

  最后，老化機(jī)臺(tái)通過通信接口(如：SPI)獲取被老化芯片老化測試結(jié)果并控制結(jié)束單次老化流程。實(shí)際的老化試驗(yàn)(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(xì)的數(shù)據(jù)記錄和結(jié)果報(bào)告。

      新一代國產(chǎn)老化測試機(jī)臺(tái)LSIC2000

  集成電路的高溫動(dòng)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(wù)公司，其老化測試臺(tái)專用性強(qiáng)、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(diǎn)研究所和整機(jī)廠進(jìn)行二次老化篩選，要求相應(yīng)的老化設(shè)備具有小批量、多品種的特性，即能夠同時(shí)對(duì)多種不同類型、不同規(guī)模的集成電路進(jìn)行老化篩選。

  針對(duì)上述的特殊需求，國內(nèi)的可靠性設(shè)備廠已自主開發(fā)了三代集成電路高溫動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)，如90年代中期開發(fā)的第3代老化臺(tái)ELEA/BTI200系列等。隨著集成電路產(chǎn)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(chǔ)器的應(yīng)用日益廣泛，國內(nèi)現(xiàn)有的集成電路老化系統(tǒng)已不能滿足需求。另外，國軍標(biāo)(GJB)的貫徹實(shí)施也對(duì)集成電路的高溫動(dòng)態(tài)老化提出了新的要求和規(guī)范。

  針對(duì)前述高溫動(dòng)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(jī)臺(tái)LSIC2000(圖3)。該機(jī)臺(tái)全面兼容和對(duì)標(biāo)國際領(lǐng)先機(jī)型，并具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢，成為國內(nèi)半導(dǎo)體先進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)替代的最佳選擇。

圖3 LSIC2000大規(guī)模老化測試機(jī)臺(tái)

圖4 LSIC2000上位機(jī)操作界面示例

  結(jié)束語

  高溫老化試驗(yàn)仍然是目前最行之有效的保證集成電路芯片質(zhì)量和可靠性的篩選方法。靜態(tài)老化對(duì)于大規(guī)模集成電路而言有明顯的缺陷和不足，因此動(dòng)態(tài)老化及老化中測試是解決這一問題的關(guān)鍵方法。

  針對(duì)FPGA和DSP兩類最常見的大規(guī)模集成電路芯片，本文對(duì)其一般老化方法、流程進(jìn)行了詳盡說明。但由于VLSI系統(tǒng)級(jí)芯片種類繁多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制定出相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及老化方法和結(jié)果評(píng)價(jià)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(chǎn)老化測試機(jī)臺(tái)LSIC2000以大規(guī)模集成電路為老化對(duì)象，能滿足高溫動(dòng)態(tài)老化及老化中測試的高端需求，全面兼容和對(duì)標(biāo)國際領(lǐng)先機(jī)型，為半導(dǎo)體先進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)替代提供了最佳選擇。