產(chǎn)品老化標(biāo)準(zhǔn)

為了達到滿意的合格率，幾乎所有產(chǎn)品在出廠前都要先藉由老化。制造商如何才能夠在不縮減老化時間的條
件下提高其效率？本文介紹在老化過程中進行功能測試的新方案，以降低和縮短老化過程所帶來的成本和時間問
題。
    在半導(dǎo)體業(yè)界，器件的老化問題一直存在各種爭論。像其它產(chǎn)品一樣，半導(dǎo)體隨時可能因為各種原因而出現(xiàn)
故障，老化就是藉由讓半導(dǎo)體進行超負荷工作而使缺陷在短時間內(nèi)出現(xiàn)，避免在使用早期發(fā)生故障。如果不藉由
老化，很多半導(dǎo)體成品由于器件和制造制程復(fù)雜性等原因在使用中會產(chǎn)生很多問題。
  在開始使用后的幾小時到幾天之內(nèi)出現(xiàn)的缺陷(取決于制造制程的成熟程度和器件總體結(jié)構(gòu))稱為早期故障，
老化之后的器件基本上要求****消除由這段時間造成的故障。準(zhǔn)確確定老化時間的方法是參照以前收集到
的老化故障及故障分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而大多數(shù)廠商則希望減少或者取消老化。 
  老化制程**要確保工廠的產(chǎn)品
滿足用戶對可靠性的要求，除此之外，
它還**能提供工程數(shù)據(jù)以便用來改
進器件的性能。 
  一般來講，老化制程藉由工作環(huán)
境和電氣性能兩方面對半導(dǎo)體器件進
行苛刻的試驗使故障盡早出現(xiàn)，典型
的半導(dǎo)體壽命曲線如右圖。由圖可見，
主要故障都出現(xiàn)在器件壽命周期開始
和的十分之一階段。老化就是加
快器件在其壽命%部份的運行過
程，迫使早期故障在更短的時間內(nèi)出
現(xiàn)，通常是幾小時而不用幾月或幾年。
不是所有的半導(dǎo)體生
 
產(chǎn)廠商對所有器
件都需要進行老化。普通器件制造由
于對制程比較了解，因此可以預(yù)先掌握藉由統(tǒng)計得出的失效預(yù)計值。如果實際故障率高于預(yù)期值，就需要再
作老化，提高實際可靠性以滿足用戶的要求。 
  本文介紹的老化方法與 10 年前幾乎一樣，不同之處僅僅在于如何更好地利用老化時間。提高溫度、增加動
態(tài)信號輸入以及把工作電壓提高到正常值以上等等，這些都是加快故障出現(xiàn)的通常做法；但如果在老化過程中進
行測試，則老化成本可以分攤一部份到功能測試上，而且藉由對故障點的監(jiān)測還能收集到一些有用信息，從總體
上節(jié)省成本，另外，這些信息經(jīng)統(tǒng)計后還可證明找出某個器件所有早期故障所需的時間是否合適。  
 

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過去的老化系統(tǒng) 
 
  進行老化的**個原因是為了提高半導(dǎo)體器件的可靠性，目前為止還沒有其它的替代方法。老化依然是在高
溫室(通常125℃左右 )內(nèi)進行，給器件加上電子偏壓，大部份時候還使用動態(tài)驅(qū)動信號。 
  很多公司想減少或者全部取消老化，但是他們又找不到其它可靠的替代方法能夠在產(chǎn)品到達客戶之前把有早
期故障的剔除掉，所以看來老化還會長久存在下去。半導(dǎo)體廠商另外也希望藉由老化做更多的事，而不是浪
費寶貴時間被動地等待組件送來做老化。 
  過去的老 化系 統(tǒng)設(shè)計 比較 簡單。 10 年以前， 老化 就是把 一個 器件插 入老 化板， 再把 老化板 放入 老化室 ，給
老化板加上直流偏壓(靜態(tài)老化)并升高溫度，168 個小時之后將器件取出進行測試。如果經(jīng) ****測試后仍然性能

 
完好，就可以保證器件質(zhì)量可靠并將其發(fā)送給用戶。 
  如果器件在老化時出現(xiàn)故障，則會被送去故障分析實驗室進行分析，這可能會需要幾周的時間。實驗室提供
的數(shù)據(jù)將用來對設(shè)計和制程進行細微調(diào)節(jié)，但這也表明對可能出現(xiàn)的嚴重故障采取補救措施之前已進行
了幾個星期。目前工程師們找了一些方法，對器件進行長時間錯誤覆蓋率很高的老化，甚至還對器件作一些測試。
但遺憾的是沒有人能解決老化的根本問題，即減少成本與時間。于是半導(dǎo)體制造商們采用了另一種老化方式：在
老化中進行功能測試。 
 為什么要在老化時進行測試 
 
  在老化階段進行半導(dǎo)體測試之所以有意義有多種原因，在探討這些原因之前，我們首先要明確“測試"的真
正含義。 
  一般半導(dǎo)體測試要用到昂貴的高速自動測試設(shè)備，在一個電性能條件可調(diào)的測試臺上對半導(dǎo)體作測試。它還
可疑在標(biāo)稱性能范圍之外進行，完成功能
(邏輯 )和參數(shù)(速度)方面的測試，像信號升
降時間之類的參數(shù)可**到皮秒級。也許是
因為可控測試環(huán)境只有一個器件作為電性
負載，所以信號轉(zhuǎn)換很快，能夠進行真實的
器件響應(yīng)參數(shù)測量。 
  但在老化的時候，為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量
好是能夠同時對盡可能多的器件作老化。為
滿足這一要求，可把多個器件裝在一個大的
印刷線路板上，這個板稱為老化板，它上面
的所有器件都并聯(lián)在一起。大型老化板的物
理電氣特性不能和只測試一個器件的小測
試臺相比，因為老化板上的容性和感性負載會給速度測試帶來麻煩。所以我們通常無法用老化進行所有功能測試。
不過在某些情況下，運用特殊的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)在老化環(huán)境下進行速度測試也是可能的。 
  老化系統(tǒng)中的“測試"可以指任何方面，從對每一器件每一管腳進行基本信號測試，到對老化板上的所有器
件作幾乎 ****功能測試，這一切均視器件復(fù)雜性及所選用的老化測試系統(tǒng)而定。可以說對任何器件進行 ****功
能測試都是可以做的，但是這樣采用的方法可能會減少老化板上的器件密度，從而增加整體成本并降低產(chǎn)量。  
 
在老化中進行測試的好處有： 
 
  1 ．  將耗時的功能測試移到老化中可以節(jié)約昂貴的高速測試儀器的時間。如
果老化后只進行參數(shù)測試及很少的功能測試，那么用現(xiàn)有設(shè)備可測試更多器件，
一點即可抵消因采用老化測試方案而發(fā)生的費用。 
  2 ．  達到預(yù)期故障率的實際老化時間相對更短。過去器件進行老化時都
要先藉由168 小時，這是人們期望發(fā)現(xiàn)所有早期故障的標(biāo)準(zhǔn)起始時間，而這
是因為手頭沒有新器件數(shù)據(jù)所致。在隨后的半年期間，這個時間會不斷縮短，直
到用實驗和誤差分析方法實際所需的老化時間為止。在老化同時進行測試則
可以藉由檢查老化系統(tǒng)生成的實時記錄及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的故障。盡快掌握老化時間

可提高產(chǎn)量，降低器件成本。 
  3 ．  及時對制程作出反饋。器件故障有時直接對應(yīng)于某個制造制程或者
某設(shè)備，在故障發(fā)生時及時了解信息可立刻解決可能存在的制程缺陷，避免制造出大量不合格產(chǎn)品。 
  4 ． 確保老化的運行情況與期望相符。藉由監(jiān)測老化板上的每個器件，可在老化一開始時就先更換已經(jīng)壞了
的器件，這樣使用者可確保老化板和老化系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)想的狀況運行，沒有產(chǎn)能上的浪費。 
 
老化測試系統(tǒng)類型 
 
  目前市面上有多種老化測試系統(tǒng)實現(xiàn)方法，除了老化系統(tǒng)廠商制造的通用型產(chǎn)品外，半導(dǎo)體廠商也在內(nèi)
部開發(fā)了一些供他們自己使用的此類系統(tǒng)。大多數(shù)系統(tǒng)都采用計算機作主機，用于數(shù)據(jù)采集和電路基本控制，而
一些非計算機系統(tǒng)只能用LED 作為狀態(tài)指示器，需要人工來收集數(shù)據(jù)。 
  為了能對老化板上的每一器件作獨立測試，**要在老化系統(tǒng)控制下將每個器件與其它器件進行電性隔離。
內(nèi)存件非常適合于這種場合，因為它們被設(shè)計成按簇方式使用并帶有多路選通訊號，而邏輯器件則可能無法使用
選通訊號，這使得在老化系統(tǒng)中設(shè)計通用邏輯測試會更難一些。因此針對不同器件類型存在不同的邏輯老化系統(tǒng)
是很正常的。 
  老化測試系統(tǒng)可歸為兩大類：邏輯器件和內(nèi)存。邏輯器件測試系統(tǒng)又可分為兩類：平行和串行；同樣，內(nèi)存
測試系統(tǒng)也可分為兩類：非易失性和易失性。 
 
邏輯器件老化測試 
 
  邏輯器件老化測試是兩類系統(tǒng)中難度的，這是因為邏輯產(chǎn)品具有多功能特性，而且器件上可能還沒有選
通訊號引腳。為使一種老化測試系統(tǒng)適應(yīng)所有類型的邏輯器件，**要有大量的輸入輸出引線，這樣系統(tǒng)才能生
成多引腳器件通常所需的多種不同信號。老化系統(tǒng)還要有一個驅(qū)動板，作為每個信號通路的引腳驅(qū)動器，它一般
采用較大的驅(qū)動電流以克服老化板的負載特性。 
  輸出信號要確保能夠?qū)π枳骼匣娜魏纹骷愋瓦M行處理。如果老化板加載有問題，可以將其分隔成兩個或
更多的信號區(qū)，但是這需要將驅(qū)動板上的信號線數(shù)量增加一
倍。大多數(shù)平行輸出信號利用專用邏輯、預(yù)編程 EPROM、或可
重編程及可下載 SRAM 產(chǎn)生，用 SRAM 的好處是可利用計算機
重復(fù)編程而使老化系統(tǒng)適用于多種產(chǎn)品。 
邏輯器件老化測試主要有兩種實現(xiàn)方法：平行和串行，這指
的是系統(tǒng)的輸入或監(jiān)測方式。一般來說所有邏輯器件測試系
統(tǒng)都用平行方式把大量信號傳給器件，但用這種方式進行監(jiān)
測卻不能將老化板上的每一個器件分離出來。 
  ?平行測試法
  平行測試是在老化過程中進行器件測試快的方法，這
是因為有多條信號線連在器件的輸入輸出端，使數(shù)據(jù)傳輸量
達到，I/O 線的輸入端由系統(tǒng)測試部份控制。平行測試有
三種基本方式：各器件單選、單引腳信號返回和多引腳信號
返回。 
  ?各器件單選法
  如果老化板上的器件可以和其它器件分離開，系統(tǒng)就可
藉由選擇方法分別連到每一個器件上，如使用片選引腳，所有器件都并聯(lián)起來，一次只選中一個器件生成返回信
號(圖2)。 系統(tǒng)提供專門的器件選擇信號，在測試過程中一次選中一個，老化時所有器件也可同時被選并接收同
樣的數(shù)據(jù)。
  用這種方法每個器件會輪流被選到，器件和老化系統(tǒng)之間的大量數(shù)據(jù)藉由并行總線傳輸。該方法的局限是選

中的器件**克服老化板及其它非選中器件的容性和感性負載影響，這可能會使器件在總線上的數(shù)據(jù)傳輸速度下
降。 
  ?單引腳信號返回
  這個方法里所有器件都并聯(lián)在一起，但每個器件有
一個信號返回引腳除外，所有器件同時進入工作狀態(tài)，
由系統(tǒng)選擇所監(jiān)測的器件并讀取相應(yīng)的信號返回線。該
方法類似于串行測試法，但信號引腳一般檢測的是邏輯
電平，或者是可以和預(yù)留值比較的脈沖模式。檢測到的
信號通常表示器件內(nèi)部自檢狀態(tài)，它存在器件內(nèi)以供測
試之用，如果器件沒有自檢而只是單純由系統(tǒng)監(jiān)測它的一個引腳，那么測試可信度將會大大降低。 
  ?多引腳信號返回 
  該方法和單引腳信號返回類似，但是從每個器件返回的信號更多。由于每個器件有更多信號返回線，所以這
種方法要用到多個返回監(jiān)測線路。而又因為**要有大量返回線路為該方法專用，因此會使系統(tǒng)總體成本急劇增
加。沒有內(nèi)部自檢而且又非常復(fù)雜的器件可能就需要用這種方法。 
  ?串行測試法 
  串行測試比平行測試作業(yè)容易一些，但是速度要慢很多。除了每個器件的串行信號返回線，老化板上的每個
器件通常都并聯(lián)在一起。該方法用于有一定處理功能并可藉由一條信號返回線反映各種狀態(tài)的器件。測試時傳送
的數(shù)據(jù)**進行譯碼，因此老化板上應(yīng)有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 
  ?RS-232C 或同等協(xié)議 
  一種串 行監(jiān)測 方法 是在老 化板 上采用 全雙工 RS-232C 通訊協(xié) 議， 所有器 件的 其它支 持信 號(如時鐘和 復(fù)位)
都并聯(lián)在一起(圖3)。 RS-232C 發(fā)送端(TxD)通常也連到
所有器件上，但同時也支持老化板區(qū)域分隔以進行多路
再使用傳輸。 
  每個器件都將信號返回到驅(qū)動板上的一個 RS-232C
接收端(RxD)，該端口在驅(qū)動板上可以多路再使用。驅(qū)動
電路向所有器件傳送信號，然后對器件的RxD 線路進行
監(jiān)控，每個器件都會被選到，系統(tǒng)則將的數(shù)據(jù)與預(yù)
留值進行比較。這種測試系統(tǒng)通常要在驅(qū)動板上使用微
處理器，以便能進行RS-232C 通訊及作為故障數(shù)據(jù)緩沖。 
  ?邊界掃描(JTAG)
  邏輯器件老化的趨勢是采用IEEE 1149.1 規(guī)定的方法。該方法也稱為JTAG或邊界掃描測試，它采用五
線制(TCK、TDO、TDI、 TMS 及T RST)電子協(xié)議，可以和平行測試法相媲美。 
  采用這種方法時，JTAG 測試端口和整個系統(tǒng)**要設(shè)計到器件的內(nèi)部。器件上用于 JTAG 測試的電路屬于專
用測試口，用來對器件進行測試，即使器件裝在用戶終端系統(tǒng)上并已開始工作以后，該測試口還可以使用。一般
而言，JTAG埠采用很長的串聯(lián)緩存器鏈，可以訪問到所有的內(nèi)部節(jié)點。每個緩存器映像器件的某一功能或特性，
于是，訪問器件的某種狀態(tài)只需將該緩存器的狀態(tài)數(shù)據(jù)串行移位至輸出端即可。 
  采用同樣技術(shù)可完成對器件的編程，只不過數(shù)據(jù)是藉由JTAG端口串行移位到器件內(nèi)部。IEEE 1149.1的說
明里詳細闡述了 JTAG 端口的作業(yè)。  
 

內(nèi)存老化 
 
  內(nèi)存老化和測試的線路實現(xiàn)起來相對簡單一些，所有器件藉由統(tǒng)一方式寫入，然后單獨選中每個器件，將其
存入的數(shù)據(jù)讀出并與原來的值對照。由于具有控制和數(shù)據(jù)采集軟件以及故障數(shù)據(jù)評估報告算法，所以內(nèi)存老化測
試對商非常有用。 

  大多數(shù)內(nèi)存件支持多個選通引腳，因而老化測試系統(tǒng)采用簇方式讀回數(shù)據(jù)。某些系統(tǒng)具有很寬的數(shù)據(jù)總線，
每一簇可同時讀取多個器件，再由計算機主機或類似的機器對器件進行劃分。增加老化板上的平行信號數(shù)量可提
高速度，減少同一條平行信號線所連器件數(shù)，并且降低板子和器件的負載特性。 
  ?易失性內(nèi)存(DRAM和SRAM) 
  易失性內(nèi)存測試起來是簡單的，因為它無需特殊算法或時序就可進行多次擦寫。一般是所有器件先同時寫
入，然后輪流選中每個器件，讀回數(shù)據(jù)并進行比較。 
  由于在老化時可重復(fù)進行慢速的刷新測試，因此 DRAM 老化測試能夠為后測制程節(jié)省大量時間。刷新測試要
求先將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，再等待一段時間使有缺陷的儲存單元放電，然后從內(nèi)存中讀回數(shù)據(jù)，找出有缺陷的儲存單
元。將這部份測試放入老化意味著老化后的測試制程不必再進行這種很費時的檢測，從而節(jié)省了時間。 
  ?非易失性內(nèi)存(EPROM和EEPROM) 
  非易失性內(nèi)存測試起來比較困難，這是因為在寫入之前**先將里面的內(nèi)容擦除，這樣使得系統(tǒng)算法更困難
一些，通常還**使用特殊電壓來進行擦除。不過其測試方法基本上是相同的：把數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存再用更復(fù)雜的算
法將其讀回。 
 老化測試系統(tǒng)性能 
 
  有許多因素會影響老化測試系統(tǒng)的整
體性能，下面是一些主要方面： 
  1 ．首先是測試方法的選擇。
  理想的情況是器件在老化制程上花費
的時間少，這樣可以提高總體產(chǎn)量。惡劣
的電性能條件有助于故障加速出現(xiàn)，因此能
快速進行反復(fù)測試的系統(tǒng)可減少總體老化
時間。每單位時間里內(nèi)部節(jié)點切換次數(shù)越
多，器件受到的考驗就越大，故障也就出現(xiàn)
得更快。 
  2 ．老化板互連性、PC B 設(shè)計以及偏置
電路的復(fù)雜性。
  老化測試系統(tǒng)可能被有些人稱為高速
測試，但是，如果機械連接或老化板本身特
性會削弱信號質(zhì)量，那么測試速度將會是一
個問題。如像過多機電性連接會增大整個系
統(tǒng)的總電容和電感、老化板設(shè)計不良會產(chǎn)生
噪聲和串?dāng)_、而很差的引腳驅(qū)動器設(shè)計則會
使快速信號沿所需的驅(qū)動電流大小受到限
制等等，這些都僅是一部份影響速度的瓶
頸，另外由于負載過大并存在阻抗、電路偏
置以及保護組件值的選擇等也會使老化的性能受到影響。 
  3 ．計算機接口與數(shù)據(jù)采集方式。
  有些老化測試系統(tǒng)采用分區(qū)方法，一個數(shù)據(jù)采集主機控制多個老化板，另外有些系統(tǒng)則是單板式采集。從實
際情況來看，單板式方法可以采集到更多數(shù)據(jù)，而且可能還具有更大的測試產(chǎn)量。 
  4 ．對高速測試儀程序的下載及轉(zhuǎn)換能力。
  有些老化測試系統(tǒng)有自己的測試語言，對需要做****節(jié)點切換的被測器件不用再開發(fā)程序；而有些系統(tǒng)能
夠把高速測試儀程序直接轉(zhuǎn)換到老化應(yīng)用上，可以在老化過程中進行更準(zhǔn)確的測試。 

  5 ．系統(tǒng)提供參數(shù)測試的能力。
  如果老化測試系統(tǒng)能進行一些速度測試，那么還可其它一些相關(guān)失效數(shù)據(jù)以進行可靠性研究，這也有助
于精簡老化后測試制程。 
  6 ．根據(jù)時間動態(tài)改變測試參數(shù)的能力，如電壓與頻率。
  如果老化測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r改變參數(shù)，則可以加快通常屬于產(chǎn)品壽命后期階段故障的出現(xiàn)。對于某些器件結(jié)
構(gòu)，直流電壓偏置及動態(tài)信號的功率變動都可加速出現(xiàn)晚期壽命故障。 
  7 ．計算機主機與測試系統(tǒng)之間的通訊。
  由于功能測試程序非常長，因此測試硬件的設(shè)計應(yīng)盡可能提高速度。一些系統(tǒng)使用較慢的串行通訊，如
RS-232C 或者類似協(xié)議，而另一些系統(tǒng)則使用雙向并行總線系統(tǒng)，大大提高了數(shù)據(jù)流通率。 
 
結(jié)束語 
 
  在老化過程中進行測試會帶來一些成本問題，但困難的
是找出一個測試方法完成器件所有可能的測試項目。 
  對邏輯產(chǎn)品而言，JTAG 法是一種通用的老化測試方式，
因為器件上的測試埠是一致的，這樣老化硬件線路就可保持不
變。 
  對內(nèi)存而言，在小批量情況下，是能有一種對易失性
和非易失性內(nèi)存都能進行處理的測試系統(tǒng)；而在大批量情況
下，則是采用不同的系統(tǒng)以降低成本。  
 

References：  
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