靜態、動態與晶圓級預燒測試的差異:應力、涵蓋性、成本比較

預燒測試是在高溫與高於額定的電壓下對產品通電,於出貨前剔除容易發生早期故障之產品的篩選。靜態預燒測試只施加電源與固定偏壓,不讓電路動作,因此設備簡單,但承受應力的部分有限。動態預燒測試輸入時脈或測試圖樣,一邊讓內部電路動作一邊進行,因此能對更廣的範圍施加應力。晶圓級預燒測試的差異在於進行的階段,是在切割前的晶圓狀態下一併施加應力,於封裝之前找出不良晶片。

項目靜態預燒測試動態預燒測試晶圓級預燒測試
施加應力的方式在高溫下只施加電源電壓與固定偏壓。不讓電路動作在高溫、高電壓下輸入時脈或測試圖樣,一邊讓內部節點在 0 與 1 之間切換一邊動作以接觸元件對晶圓上的大量晶片一併施加電源與訊號
進行的階段封裝之後封裝之後切割之前(晶圓狀態)
典型條件約 125 ℃、高於額定的電源電壓,數小時至數十小時約 125 ℃、高於額定的電源電壓,數小時至數十小時以溫度與電壓加速的概念相同。依產品與設備決定條件
承受應力的範圍僅限於以固定輸入施加偏壓的部分,內部許多節點維持在固定狀態以掃描或 BIST 等方式讓內部動作,能對更多電晶體與導線施加應力依方式而定。有只施加電源與偏壓的情況,也有以晶片內的自我測試電路等讓其動作的情況
容易找出的不良氧化膜的薄弱處或接面漏電等,施加偏壓部分中由電壓加速的缺陷包含動作中承受應力的部分,更容易全面地找出早期故障可在封裝之前找出會發生早期故障的晶片
設備與治具簡單。預燒板、烘箱、電源需要附有訊號產生驅動器的預燒板與設備需要與整片晶圓接觸的專用接觸元件與設備,價格昂貴
動作的監控通常不進行。以預燒後的電性測試判定也有一邊監控輸出一邊進行的方式依方式而定
成本低偏高治具與設備昂貴,但可避免將不良晶片封裝
主要課題應力的涵蓋性低功耗大的產品發熱大,溫度管理困難對大量晶片的可靠接觸、整片晶圓的電源容量與發熱、不良晶片的隔離
主要用途結構簡單的產品,或以電壓應力為主的產品邏輯 IC、記憶體、處理器等,車用或伺服器用的高可靠度產品需要良品裸晶(KGD)的多晶片封裝、堆疊記憶體、以晶片狀態出貨的產品

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

靜態預燒測試
即使不讓電路動作,也能以電壓應力加速主要缺陷的產品,且想壓低設備與成本時。
動態預燒測試
內部電路複雜,不動作就無法承受應力的部分很多的產品,想更確實地進行篩選時。
晶圓級預燒測試
需要在封裝前確認為良品的裸晶(KGD)時。例如 1 個不良就會使整體不良的多晶片堆疊封裝等。
在測試流程中的位置
一般的流程為晶圓測試、組裝、最終測試、出貨,封裝後的預燒測試安排在最終測試的前後。晶圓級預燒測試則是在晶圓測試階段施加應力的方法。

常見問題

靜態與動態預燒測試有何不同?

靜態預燒測試只施加電源與固定偏壓,不讓電路動作。動態預燒測試以時脈或測試圖樣一邊切換內部節點一邊讓其動作,因此能對更多電晶體與導線施加應力,更容易找出早期故障。

為什麼要在晶圓狀態下進行預燒測試?

因為將多顆晶片放入 1 個封裝時,只要混入 1 顆不良,整體就會不良。若在晶圓狀態下進行預燒測試,先剔除會發生早期故障的晶片,就能只組裝確認為良品的裸晶(KGD)。

預燒測試不會縮短良品的壽命嗎?

會稍微消耗,但條件的選擇會讓良品只損失其磨耗壽命的極小部分。預燒測試的目的是在出貨前度過浴缸曲線的早期故障期,以故障率低的偶發故障期狀態出貨。

理解度檢測

下列何者是burn-in(老化測試)的正確目的?

  1. A檢查晶片的外觀
  2. B施加高溫、高電壓等應力,在出貨前剔除會發生早期故障的產品
  3. C量測晶圓的膜厚
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正確答案:B. 施加高溫、高電壓等應力,在出貨前剔除會發生早期故障的產品

Burn-in是一種篩選方式,在約125 ℃的高溫與高於額定的電壓下,讓產品運作數小時至數十小時,使具有潛在缺陷的產品提早故障而加以剔除。其目的是在出貨前先度過浴缸曲線的早期故障期,用於車用或伺服器用等需要高可靠度的產品。其目的與外觀檢查或膜厚量測不同。

下列哪一項是構成表示故障率隨時間變化的浴缸曲線(bathtub curve)的三個時期的正確組合?

  1. A早期故障期、偶發故障期、磨耗故障期
  2. B設計期、製造期、出貨期
  3. C試產期、量產期、維護期
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正確答案:A. 早期故障期、偶發故障期、磨耗故障期

浴缸曲線由三個時期構成:剛開始使用時因製造缺陷而故障率較高的早期故障期、故障率低且接近固定的偶發故障期,以及因劣化而故障率上升的磨耗故障期,其形狀類似浴缸的剖面。早期故障可在出貨前以burn-in(預燒)等方式剔除,磨耗故障則設計成發生在產品預期壽命之後。設計、製造、出貨等是產品生命週期的階段,並不是故障率的時期。

將多個晶片封裝於同一封裝時很重要的KGD(Known Good Die)是什麼?

  1. A大型的晶片
  2. B故障的晶片
  3. C封裝前已確認為良品的晶片(裸晶)
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正確答案:C. 封裝前已確認為良品的晶片(裸晶)

將多個晶片放入同一封裝時,只要其中混入一個不良晶片,連同其他良品晶片在內,整個封裝都會成為不良品。例如堆疊8個良率99%的晶片時,全部為良品的機率會降到0.99⁸≒92%。因此重要的是使用封裝前在裸晶階段已充分測試過的良品(KGD),在HBM與小晶片(chiplet)中尤其受到重視。

  1. 下列何者是一般半導體產品測試流程的正確順序?
  2. 在藉由提高溫度來縮短壽命試驗時間的加速試驗中,常用來表示溫度與壽命關係的模型是下列何者?
  3. 讓產品在高溫下長時間運作,以評估壽命與故障率的代表性可靠度試驗是下列何者?

前往測試與檢查的練習題

相關名詞的解說

預燒測試(Burn-in)
在高溫、高電壓等應力條件下使產品運作,於出貨前剔除容易發生早期失效之產品的測試。
浴缸曲線
表示失效率隨時間變化的曲線。由早期失效期、隨機失效期與耗損失效期組成,形狀如同浴缸。
KGD(已知良品晶粒)
在構裝之前已確認為良品的晶片。將多顆晶片疊入同一封裝時,只要混入一顆不良品整體就會成為不良,因此相當重要。
阿瑞尼斯模型
假設反應或劣化的速度隨溫度以exp(−Ea/kT)變化的模型。用於從提高溫度的加速試驗結果,推估實際使用溫度下的壽命。
晶圓測試(探針測試)
在切割之前,將探針接觸晶圓上各晶片的電極,檢查電氣特性的步驟。可在組裝前找出不良晶片,避免無謂的組裝。

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