為了達(dá)到滿意的合格率，幾乎所有產(chǎn)品在出廠前都要先經(jīng)過老化。制造商如何才能夠在不縮減老化時(shí)間的條件下提高其效率？本文介紹在老化過程中進(jìn)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(shí)間問題。 （艾德生儀器有限公司 整理）

   在半導(dǎo)體業(yè)界，器件的老化問題一直存在各種爭論。像其他產(chǎn)品一樣，半導(dǎo)體隨時(shí)可能因?yàn)楦鞣N原因而出現(xiàn)故障，老化就是通過讓半導(dǎo)體進(jìn)行超負(fù)荷工作而使缺陷在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，避免在使用早期發(fā)生故障。如果不經(jīng)過老化，很多半導(dǎo)體成品由于器件和制造工藝復(fù)雜性等原因在使用中會(huì)產(chǎn)生很多問題。

   在開始使用后的幾小時(shí)到幾天之內(nèi)出現(xiàn)的缺陷（取決于制造工藝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100%通過這段時(shí)間。準(zhǔn)確確定老化時(shí)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(jì)數(shù)據(jù)，而大多數(shù)生產(chǎn)廠商則希望減少或者取消老化。


   老化工藝必須要確保工廠的產(chǎn)品滿足用戶對可靠性的要求，除此之外，它還必須能提供工程數(shù)據(jù)以便用來改進(jìn)器件的性能測試

   一般來講，老化工藝通過工作環(huán)境和電氣性能兩方面對半導(dǎo)體器件進(jìn)行苛刻的試驗(yàn)使故障盡早出現(xiàn)，典型的半導(dǎo)體壽命曲線如圖1。由圖可見，主要故障都出現(xiàn)在器件壽命周期開始和zui后的十分之一階段。老化就是加快器件在其壽命*%部分的運(yùn)行過程，迫使早期故障在更短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，通常是幾小時(shí)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(jìn)行老化。普通器件制造由于對生產(chǎn)工藝比較了解，因此可以預(yù)先掌握經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得出的失效預(yù)計(jì)值。如果實(shí)際故障率高于預(yù)期值，就需要再作老化，提高實(shí)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(shí)間。提高溫度、增加動(dòng)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(jìn)行測試，則老化成本可以分?jǐn)傄徊糠值焦δ軠y試上，而且通過對故障點(diǎn)的監(jiān)測還能收集到一些有用信息，從總體上節(jié)省生產(chǎn)成本，另外，這些信息經(jīng)統(tǒng)計(jì)后還可證明找出某個(gè)器件所有早期故障所需的時(shí)間是否合適。

過去的老化系統(tǒng)
    進(jìn)行老化的*個(gè)原因是為了提高半導(dǎo)體器件的可靠性，目前為止還沒有其他的替代方法。老化依然是在高溫室（通常125℃左右）內(nèi)進(jìn)行，給器件加上電子偏壓，大部分時(shí)候還使用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)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他可靠的替代方法能夠在產(chǎn)品到達(dá)客戶之前把有早期故障的剔除掉，所以看來老化還會(huì)長久存在下去。半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商另外也希望通過老化做更多的事，而不是浪費(fèi)寶貴時(shí)間被動(dòng)地等待元件送來做老化。 

   過去的老化系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡單。10年以前，老化就是把一個(gè)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(gè)小時(shí)之后將器件取出進(jìn)行測試。如果經(jīng)100%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(shí)出現(xiàn)故障，則會(huì)被送去故障分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，這可能會(huì)需要幾周的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室提供的資料將用來對設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，但這也表明對可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障采取補(bǔ)救措施之前生產(chǎn)已進(jìn)行了幾個(gè)星期。目前工程師們找了一些方法，對器件進(jìn)行長時(shí)間錯(cuò)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(shí)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(jìn)行功能測試。 　

為什么要在老化時(shí)進(jìn)行測試
    在老化階段進(jìn)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(dòng)測試設(shè)備，在一個(gè)電性能條件可調(diào)的測試臺上對半導(dǎo)體作測試。它還可以在標(biāo)稱性能范圍之外進(jìn)行，完成功能（邏輯）和參數(shù)（速度）方面的測試，像信號升降時(shí)間之類的參數(shù)可到皮秒級。也許是因?yàn)榭煽販y試環(huán)境只有一個(gè)器件作為電性負(fù)載，所以信號轉(zhuǎn)換很快，能夠進(jìn)行真實(shí)的器件響應(yīng)參數(shù)測量。

   但在老化的時(shí)候，為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量是能夠同時(shí)對盡可能多的器件作老化。為滿足這一要求，可把多個(gè)器件裝在一個(gè)大的印刷線路板上，這個(gè)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(gè)器件的小測試臺相比，因?yàn)槔匣迳系娜菪院透行载?fù)載會(huì)給速度測試帶來麻煩。所以我們通常無法用老化進(jìn)行所有功能測試。不過在某些情況下，運(yùn)用特殊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)在老化環(huán)境下進(jìn)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(jìn)行基本信號測試，到對老化板上的所有器件作幾乎100%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?？梢哉f對任何器件進(jìn)行100%功能測試都是可以做得到的，但是這樣采用的方法可能會(huì)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(jìn)行測試的好處有：


1． 將耗時(shí)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(shí)間。如果老化后只進(jìn)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(diǎn)即可抵消因采用老化測試方案而發(fā)生的費(fèi)用。


2． 達(dá)到預(yù)期故障率的實(shí)際老化時(shí)間相對更短。過去器件進(jìn)行*老化時(shí)都要先經(jīng)過168小時(shí)，這是人們期望發(fā)現(xiàn)所有早期故障的標(biāo)準(zhǔn)起始時(shí)間，而這*是因?yàn)槭诸^沒有新器件數(shù)據(jù)所致。在隨后的半年期間，這個(gè)時(shí)間會(huì)不斷縮短，直到用實(shí)驗(yàn)和誤差分析方法得到實(shí)際所需的老化時(shí)間為止。在老化同時(shí)進(jìn)行測試則可以通過檢查老化系統(tǒng)生成的實(shí)時(shí)記錄及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的故障。盡快掌握老化時(shí)間可提高產(chǎn)量，降低器件成本。

3． 及時(shí)對生產(chǎn)工藝作出反饋。器件故障有時(shí)直接對應(yīng)于某個(gè)制造工藝或者某生產(chǎn)設(shè)備，在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)了解信息可立刻解決可能存在的工藝缺陷，避免制造出大量不合格產(chǎn)品。

4． 確保老化的運(yùn)行情況與期望相符。通過監(jiān)測老化板上的每個(gè)器件，可在老化一開始時(shí)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(yùn)行，沒有產(chǎn)能上的浪費(fèi)。

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(shí)現(xiàn)方法，除了老化系統(tǒng)生產(chǎn)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)都采用電腦作主機(jī)，用于數(shù)據(jù)采集和電路基本控制，而一些非計(jì)算機(jī)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(dú)立測試，必須要在老化系統(tǒng)控制下將每個(gè)器件與其他器件進(jìn)行電性隔離。存儲器件非常適合于這種場合，因?yàn)樗鼈儽辉O(shè)計(jì)成按簇方式使用并帶有多路選通信號，而邏輯器件則可能無法使用選通信號，這使得在老化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)通用邏輯測試會(huì)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：邏輯器件和存儲器。邏輯器件測試系統(tǒng)又可分為兩類：并行和串行；同樣，存儲器測試系統(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zui大的，這是因?yàn)檫壿嫯a(chǎn)品具有多功能特性，而且器件上可能還沒有選通信號引腳。為使一種老化測試系統(tǒng)適應(yīng)所有類型的邏輯器件，必須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(gè)驅(qū)動(dòng)板，作為每個(gè)信號通路的引腳驅(qū)動(dòng)器，它一般采用較大的驅(qū)動(dòng)電流以克服老化板的負(fù)載特性。

輸出信號要確保能夠?qū)π枳骼匣娜魏纹骷愋瓦M(jìn)行處理。如果老化板加載有問題，可以將其分隔成兩個(gè)或更多的信號區(qū)，但是這需要將驅(qū)動(dòng)板上的信號線數(shù)量增加一倍。大多數(shù)并行輸出信號利用邏輯、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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)方法：并行和串行，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)都用并行方式把大量信號傳給器件，但用這種方式進(jìn)行監(jiān)測卻不能將老化板上的每一個(gè)器件分離出來。

·并行測試法
 
并行測試是在老化過程中進(jìn)行器件測試zui快的方法，這是因?yàn)橛卸鄺l信號線連在器件的輸入輸出端，使數(shù)據(jù)傳輸量達(dá)到zui大，I/O線的輸入端由系統(tǒng)測試部分控制。并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 如果老化板上的器件可以和其他器件分離開，系統(tǒng)就可通過選擇方法分別連到每一個(gè)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(gè)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(gè)，老化時(shí)所有器件也可同時(shí)被選并接收同樣的數(shù)據(jù)。

用這種方法每個(gè)器件會(huì)輪流被選到，器件和老化系統(tǒng)之間的大量數(shù)據(jù)通過并行總線傳輸。該方法的局限是選中的器件必須克服老化板及其他非選中器件的容性和感性負(fù)載影響，這可能會(huì)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(gè)方法里所有器件都并聯(lián)在一起，但每個(gè)器件有一個(gè)信號返回引腳除外，所有器件同時(shí)進(jìn)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(gè)引腳，那么測試可信度將會(huì)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(gè)器件返回的信號更多。由于每個(gè)器件有更多信號返回線，所以這種方法要用到多個(gè)返回監(jiān)測線路。而又因?yàn)楸仨氁写罅糠祷鼐€路為該方法，因此會(huì)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

串行測試比并行測試操作容易一些，但是速度要慢很多。除了每個(gè)器件的串行信號返回線，老化板上的每個(gè)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通過一條信號返回線反映各種狀態(tài)的器件。測試時(shí)傳送的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行解碼，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通信協(xié)議，所有器件的其他支持信號（如時(shí)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(shí)也支持老化板區(qū)域分隔以進(jìn)行多路復(fù)用傳輸。

每個(gè)器件都將信號返回到驅(qū)動(dòng)板上的一個(gè)RS-232C接收端（RxD），該端口在驅(qū)動(dòng)板上可以多路復(fù)用。驅(qū)動(dòng)電路向所有器件傳送信號，然后對器件的RxD線路進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)器件都會(huì)被選到，系統(tǒng)則將得到的數(shù)據(jù)與預(yù)留值進(jìn)行比較。這種測試系統(tǒng)通常要在驅(qū)動(dòng)板上使用微處理器，以便能進(jìn)行RS-232C通信及作為故障數(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TRST）電子協(xié)議，可以和并行測試法相媲美。

采用這種方法時(shí)，JTAG測試端口和整個(gè)系統(tǒng)必須要設(shè)計(jì)到器件的內(nèi)部。器件上用于JTAG測試的電路屬于測試口，用來對器件進(jìn)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端口采用很長的串聯(lián)寄存器鏈，可以訪問到所有的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。每個(gè)寄存器映射器件的某一功能或特性，于是，訪問器件的某種狀態(tài)只需將該寄存器的狀態(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)是通過JTAG端口串行移位到器件內(nèi)部。IEEE 1149.1的說明里詳細(xì)闡述了JTAG端口的操作。

存儲器老化

存儲器老化和測試的線路實(shí)現(xiàn)起來相對簡單一些，所有器件通過統(tǒng)一方式寫入，然后單獨(dú)選中每個(gè)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(bào)告算法，所以存儲器老化測試對生產(chǎn)商非常有用。

大多數(shù)存儲器件支持多個(gè)選通引腳，因而老化測試系統(tǒng)采用簇方式讀回?cái)?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(shí)讀取多個(gè)器件，再由電腦主機(jī)或類似的機(jī)器對器件進(jìn)行劃分。增加老化板上的并行信號數(shù)量可提高速度，減少同一條并行信號線所連器件數(shù)，并且降低板子和器件的負(fù)載特性。

·易失性存儲器（DRAM和SRAM）

易失性存儲器測試起來是zui簡單的，因?yàn)樗鼰o需特殊算法或時(shí)序就可進(jìn)行多次擦寫。一般是所有器件先同時(shí)寫入，然后輪流選中每個(gè)器件，讀回?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行比較。

由于在老化時(shí)可重復(fù)進(jìn)行慢速的刷新測試，因此DRAM老化測試能夠?yàn)楹鬁y工藝節(jié)省大量時(shí)間。刷新測試要求先將數(shù)據(jù)寫入存儲器，再等待一段時(shí)間使有缺陷的存儲單元放電，然后從存儲器中讀回?cái)?shù)據(jù)，找出有缺陷的存儲單元。將這部分測試放入老化意味著老化后的測試工藝不必再進(jìn)行這種很費(fèi)時(shí)的檢測，從而節(jié)省了時(shí)間。

·非易失性存儲器（EPROM和EEPROM）

非易失性存儲器測試起來比較困難，這是因?yàn)樵趯懭胫氨仨毾葘⒗锩娴膬?nèi)容擦除，這樣使得系統(tǒng)算法更困難一些，通常還必須使用特殊電壓來進(jìn)行擦除。不過其測試方法基本上是相同的：把數(shù)據(jù)寫入存儲器再用更復(fù)雜的算法將其讀回。

老化測試系統(tǒng)性能
有許多因素會(huì)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工藝上花費(fèi)的時(shí)間zui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(jìn)行反復(fù)測試的系統(tǒng)可減少總體老化時(shí)間。每單位時(shí)間里內(nèi)部節(jié)點(diǎn)切換次數(shù)越多，器件受到的考驗(yàn)就越大，故障也就出現(xiàn)得更快。

2．老化板互連性、PCB設(shè)計(jì)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(jī)械連接或老化板本身特性會(huì)削弱信號質(zhì)量，那么測試速度將會(huì)是一個(gè)問題。如像過多機(jī)電性連接會(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)的總電容和電感、老化板設(shè)計(jì)不良會(huì)產(chǎn)生噪聲和串?dāng)_、而很差的引腳驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)則會(huì)使快速信號沿所需的驅(qū)動(dòng)電流大小受到限制等等，這些都僅是一部分影響速度的瓶頸，另外由于負(fù)載過大并存在阻抗、電路偏置以及保護(hù)元件值的選擇等也會(huì)使老化的性能受到影響。 　

3．計(jì)算機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)采集主機(jī)控制多個(gè)老化板，另外有些系統(tǒng)則是單板式采集。從實(shí)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100%節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行一些速度測試，那么還可得到其他一些相關(guān)失效數(shù)據(jù)以進(jìn)行可靠性研究，這也有助于精簡老化后測試工藝。

6．根據(jù)時(shí)間動(dòng)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)能夠即時(shí)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(dòng)態(tài)信號的功率變動(dòng)都可加速出現(xiàn)晚期壽命故障。

7．計(jì)算機(jī)主機(jī)與測試系統(tǒng)之間的通信。由于功能測試程序非常長，因此測試硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能提高速度。一些系統(tǒng)使用較慢的串行通信，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(jìn)行測試會(huì)帶來一些成本問題，但zui困難的是找出一個(gè)測試方法完成器件所有可能的測試項(xiàng)目。
對邏輯產(chǎn)品而言，JTAG法是一種zui通用的老化測試方式，因?yàn)槠骷系臏y試端口是一致的，這樣老化硬件線路就可保持不變。
對存儲器而言，在小批量情況下，是能有一種對易失性和非易失性存儲器都能進(jìn)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。