采用零件平均測(cè)試法控制現(xiàn)代汽車半導(dǎo)體元器件品質(zhì)

業(yè)界對(duì)于半導(dǎo)體元器件零缺陷需求的呼聲日益高漲，為此半導(dǎo)體制造商開始加大投資應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，以滿足汽車用戶的需求。隨著汽車中電子元器件數(shù)量的不斷增加，必須嚴(yán)格控制現(xiàn)代汽車中半導(dǎo)體元器件的品質(zhì)以降低每百萬(wàn)零件的缺陷率(DPM)，將與電子元器件相關(guān)的使用現(xiàn)場(chǎng)退回及擔(dān)保等問題最小化，并減少因電子元器件失效導(dǎo)致的責(zé)任問題。

美國(guó)汽車電子委員會(huì)AEC-Q001規(guī)格推薦了一種通用方法，該方法采用零件平均測(cè)試(Part Average Testing，PAT)方法將異常零件從總零件中剔除，因而在供貨商階段改進(jìn)元器件的品質(zhì)和可靠性。對(duì)特定晶圓、批號(hào)或待測(cè)零件組，PAT方法可以指示總平均值落在6σ之外的測(cè)試結(jié)果，任何超出特定元器件的6σ限制值的測(cè)試結(jié)果均被視為不合格，并從零件總數(shù)中剔除，那些未達(dá)到PAT限制值的零件不能開始出貨給客戶，這樣一來(lái)就改進(jìn)了元器件的品質(zhì)和可靠性。

用戶對(duì)這些規(guī)格的要求促使供貨商之間的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。在改進(jìn)可靠性并降低缺陷率方面面臨很大的壓力，尤其對(duì)于目前由半導(dǎo)體控制的許多相當(dāng)重要的安全功能，諸如x車、牽引控制、動(dòng)力及主動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。供貨商既要改進(jìn)已開始出貨零件的品質(zhì)，又要讓這些規(guī)格對(duì)其良率的影響最小。由于制造成本持續(xù)走低，測(cè)試成本卻維持在相對(duì)不變的水準(zhǔn)，因此測(cè)試成本在制造成本中的比重日益增大，元器件的利潤(rùn)空間持續(xù)縮水。由于絕大部份的良率都不能夠滿足要求，所以供貨商必須徹底評(píng)估他們的測(cè)試程序以便找到替代測(cè)試方法，并且從備選方法中反復(fù)試驗(yàn)直至找到最佳方法。

不借助尖端的分析和仿真工具，供貨商就會(huì)在沒有充分了解這些規(guī)格對(duì)供應(yīng)鏈影響的情況下應(yīng)用它們。更糟糕的是，如果盲目應(yīng)用并遺漏了重要的測(cè)試，那么結(jié)果即使保證采用PAT之類的規(guī)格對(duì)元器件進(jìn)行了測(cè)試并以相同的DPM率開始出貨，在這種情況下保證也是毫無(wú)疑義的，而且可靠性也會(huì)降低。

一些供貨商似乎認(rèn)為，在晶圓探測(cè)中進(jìn)行PAT測(cè)試就足夠了，但研究顯示采用這種方法存在許多問題。在晶圓探測(cè)中采用PAT是第一道品質(zhì)關(guān)卡，但在剩余的下游制造過程中，由于無(wú)數(shù)可變因素造成的變量增加，因此會(huì)在封裝測(cè)試時(shí)導(dǎo)致更多的PAT異常值。如果供貨商希望推出高品質(zhì)的零件，他們就必須在晶圓探測(cè)和最終測(cè)試兩個(gè)階段都進(jìn)行PAT測(cè)試，而且他們的客戶也應(yīng)推動(dòng)該方法的應(yīng)用。

實(shí)時(shí)PAT和統(tǒng)計(jì)后處理 PAT處理過程采用的方法，是經(jīng)由對(duì)數(shù)個(gè)批處理過程分析最新的數(shù)據(jù)，并為每個(gè)感興趣的測(cè)試建立靜態(tài)PAT限制。經(jīng)計(jì)算，這些限制的平均值為+/-6σ，且通常作為規(guī)格上限(USL)和規(guī)格下限(LSL)整合在測(cè)試程序中。靜態(tài)PAT限制值必須至少每六個(gè)月覆審并更新一次。

首選的方法是計(jì)算每個(gè)批次或晶圓的動(dòng)態(tài)PAT限制值。動(dòng)態(tài)PAT限制值通常比靜態(tài)PAT限制值更為嚴(yán)格，并且清除不在正常分布內(nèi)的任何異常值。最為重要的差異是動(dòng)態(tài)PAT限制值根據(jù)晶圓或批次運(yùn)算，因而限制值將會(huì)根據(jù)晶圓或批次所采用的材料性能連續(xù)變化。動(dòng)態(tài)PAT限制值運(yùn)算為平均值+/-(n*σ)或中值+/-(N*強(qiáng)韌σ)，且不能小于測(cè)試程序中所規(guī)定的LSL或大于USL。

所運(yùn)算出的PAT限制值必定被作為圖1中所示的較低PAT限制(LPL)和較高PAT限制(UPL)。任何超過動(dòng)態(tài)PAT限制且處于LSL和USL限制之間的值都被視為異常值。這些異常值通常被命名為故障并被裝入一個(gè)特定的異常值軟件和硬件箱。追蹤特定晶圓或批次所計(jì)算出的PAT限制以及每一個(gè)測(cè)試所檢測(cè)到的異常量對(duì)于后期追溯具有重要意義。實(shí)施PAT有兩種主要方法：實(shí)時(shí)PAT和統(tǒng)計(jì)后處理(SPP)。供貨商必須清楚是否要在探測(cè)和最終測(cè)試中采用兩種不同方法，還是只采用一種方案更有意義。

實(shí)時(shí)PAT根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)PAT限制的運(yùn)算，在不影響測(cè)試時(shí)間的情況下，當(dāng)零件被測(cè)試時(shí)就作出分選決策。這就需要能夠處理監(jiān)測(cè)和取樣的復(fù)雜數(shù)據(jù)串流的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)引擎。同樣，這一過程也需要強(qiáng)韌的統(tǒng)計(jì)引擎，該引擎可擷取測(cè)試數(shù)據(jù)并執(zhí)行必要的計(jì)算以產(chǎn)生新的限制值，將新限制值和分選信息送入測(cè)試程序；同時(shí)，監(jiān)測(cè)整個(gè)過程以確保穩(wěn)定性及可控性。供貨商需要對(duì)探測(cè)和最終測(cè)試進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并處理基線異常值。

統(tǒng)計(jì)后處理方法會(huì)產(chǎn)生相同的最終測(cè)試結(jié)果，在一個(gè)批次完成之后，要對(duì)元器件測(cè)試進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理并作出分選決策。然而，因?yàn)榉诌x決策是在批處理后作出的，后處理只能用于晶圓探測(cè)，因?yàn)闇y(cè)試和分選結(jié)果與特定元器件相關(guān)，以便重新分選。在封裝測(cè)試中，元器件一旦被封裝，就沒有辦法追蹤或順序排列，因而無(wú)法將測(cè)試及分選結(jié)果與特定元器件聯(lián)系起來(lái)。SPP還要求進(jìn)行完全測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)記錄以便做出決策，日益增加的IT基礎(chǔ)架構(gòu)需要(大量時(shí)間)并大幅放慢了測(cè)試時(shí)間。由于結(jié)果被后處理，因此SPP將一個(gè)批次中基線異常值作為元器件整體的一個(gè)部份進(jìn)行處理。

兩種方法在處理測(cè)試和分選結(jié)果時(shí)都需要執(zhí)行強(qiáng)大的運(yùn)算，就像區(qū)域性PAT和其它故障模式一樣。區(qū)域性PAT的實(shí)例是一塊晶圓中的一顆合格芯片被多塊有故障的芯片包圍。研究顯示：這顆合格元器件很可能過早出現(xiàn)故障，要努力減少汽車元器件中的DPM，大部份供貨商都必須找到這顆合格元器件。

實(shí)時(shí)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)假定此刻我們正制造用于汽車的電源管理元器件，我們將歷史測(cè)試數(shù)據(jù)加載分析工具并對(duì)元器件參數(shù)數(shù)據(jù)作深度分析，以便發(fā)現(xiàn)哪個(gè)測(cè)試是PAT的較好備選。測(cè)試有優(yōu)劣之分，有些測(cè)試更適合于PAT，有些測(cè)試對(duì)元器件的功能測(cè)試更為重要。如果選擇元器件的所有測(cè)試，良率將難以接受。

某些測(cè)試的問題在于數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，以致于不能根據(jù)PAT標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。造成這種可變性的原因可能是元器件本身所固有的，也可能是測(cè)試過程引起的(如自動(dòng)測(cè)量設(shè)備中的一臺(tái)儀器不能產(chǎn)生精確的測(cè)量結(jié)果)，還可能是封裝過程導(dǎo)入的，這些測(cè)試恰好不能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制且不能被測(cè)量。

基線用于設(shè)立特定晶圓或批次的動(dòng)態(tài)PAT限制值。例如，在一塊含有1,000塊芯片的晶圓上，100塊典型芯片構(gòu)成的基線就是這塊晶圓最適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)取樣值。

一旦達(dá)到基線，在動(dòng)態(tài)PAT限制值應(yīng)用于實(shí)時(shí)環(huán)境前就需要執(zhí)行幾項(xiàng)重要任務(wù)。要對(duì)每個(gè)被選測(cè)試進(jìn)行常態(tài)檢查。如果數(shù)據(jù)正常分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差就要采用‘標(biāo)準(zhǔn)’方法計(jì)算；但是如果數(shù)據(jù)分布不正常，就要采用‘強(qiáng)韌’方法來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

每個(gè)被選測(cè)試的動(dòng)態(tài)PAT限制值必須被計(jì)算并儲(chǔ)存在內(nèi)存中以用于隨后的測(cè)試。最初的LSL和USL保持不變，并依據(jù)最初測(cè)試程序被用于檢測(cè)測(cè)試故障。對(duì)被選測(cè)試基線異常值進(jìn)行計(jì)算。在探測(cè)中，要保存X-Y坐標(biāo)以便在晶圓制作結(jié)束后進(jìn)行處理。在封裝測(cè)試中，基線元器件被分選進(jìn)基線箱。如果檢測(cè)到基線中的異常值，那么就要識(shí)別出這些元器件以便重新測(cè)試。

達(dá)到基線后，對(duì)每個(gè)被選測(cè)試進(jìn)行動(dòng)態(tài)PAT限制值檢查，并對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)行實(shí)時(shí)裝箱。那些不符合PAT限制值的元器件落入一個(gè)獨(dú)特的‘異常值’軟件或硬件箱，該箱會(huì)將它們識(shí)別為PAT異常值元器件以待進(jìn)行后測(cè)試。