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电子元器件的老化测试

发布时间:2018-08-06

为了达到满意的合格率,几乎所有的产品在出厂前都要先进行老化。制造商如何才能够在不缩减老化时间的条件下提高其效率?本文将详细介绍在老化过程中进行功能测试的新方案,以降低和缩短老化过程所带来的成本和时间问题。

在半导体行业,器件的老化问题一直存在各种争论,像其他产品一样,半导体随时间可能因为各种原因而出现故障,老化就是藉由让半导体进行超负荷工作而使缺陷在短时间内出现,避免在使用早期发生故障。如果不藉由老化,很多半导体成品由于器件和制造过程复杂性等原因在使用中会产生很多问题。在开始使用后的几小时到几天之内出现的缺陷称为早期故障,老化之后的器件基本上要求100%消除由这段时间造成的故障。准确确定老化时间的唯一方法是参照以前收集到的老化故障及故障分析统计数据,而大多数生产厂商则希望减少或者取消老化。

老化过程必须要确保工厂的产品满足用户对可靠性的要求,除此之外,它还必须能提供工程数据以便用来改进器件的性能。一般来讲,老化过程藉由工作环境和电气性能两方面对半导体器件进行苛刻的试验使故障尽早出现。主要故障都出现在器件寿命周期开始和最后的十分之一阶段。老化就是加快器件在其寿命前10%部分的运行过程。迫使早期故障在更短的时间内出现,通常是几小时而不用几月或几年。不是所有的半导体生产厂商对所有器件都需要进行老化。普通器件制造由于对生产过程比较了解,因此可以预先掌握藉由统计得出的失效预计值。如果实际故障高于预期值,就需要再做老化,提高实际可靠性以满足用户的要求。 

本文介绍的老化方法与十年前几乎一样,不同之处仅仅在于如何更好地利用老化时间。提高温度、增加动态信号输入以及把工作电压提高到正常值以上等等,这些都是加快故障出现的通常做法;但如果在老化过程中进行测试,则老化成本可以分摊一部分到功能测试上,而且藉由对故障点的监测还能收集到一些有用信息,从总体上节省生产成本,另外,这些信息经统计后还可证明找出某个器件所有早期故障所需的时间是否合适。过去的老化系统进行老化的第一个原因是为了提高半导体器件的可靠性,目前为止还没有其它的替代方法。老化依然是在高温室内进行,给器件加上电子偏压,大部分时候还是用动态驱动信号。很多公司想减少或者全部取消老化,但是他们又找不到其它可靠的替代方法能够在产品到达客户之前把有早期故障的剔除掉,所有看来老化还会长久存在下去。半导体生产厂商另外也希望藉由老化做更多的事,而不是浪费宝贵时间被动地等待组件送来做老化。过去的老化系统设计比较简单。10年以前,老化就是把一个器件插入老化板,再把老化板放入老化室,给老化板加上直流偏压并升高温度,168个小时之后将器件取出进行测试。如果经100%测试后仍然性能完好,就可以保证器件质量可靠并将其发送给用户。如果器件在老化时出现故障,则会被送去故障分析实验室进行分析,这可能会需要几周的时间。实验室提供的数据将用来对设计和生产过程进行细微调节,但这也表明对可能出现的严重故障采取补救措施之前生产已进行了几个星期。目前工程师们找了一些方法,对器件进行长时间错误覆盖率很高的老化,甚至还对器件做一些测试。但遗憾的是没有人能解决老化的根本问题,即减少成本与实践。于是半导体制造商们采用了另一种老化方式:在老化中进行功能测试。

为什么要在老化时进行测试

在老化阶段进行半导体测试之所以有意义有多种原因,在探讨这些原因之前,我们首先要明确测试的真正含义。

一般半导体测试要用到昂贵的高度自动测试系统,在一个电性能条件可调的测试台上对半导体做测试。它还可疑在标称性能范围之外进行,完成功能和参数方面的测试,像信号升降时间子类的参数可精确到皮秒级。也许是因为可控测试环境只有一个器件作为电性负载,所以信号转换很快,能够进行真实的器件响应参数测量。但在老化的时间,为提高产品的产量最好是能够同时对尽可能多的器件作老化。为满足这一要求,可把多个器件装在一个大的印刷线路板上,这个板称为老化板,它上面的所有器件都并联在一起。大型老化板的物理电气特性不能和只测试一个器件的小测试台相比,因为老化板上的容性和感性负载会给速度测试带来麻烦。所以我们通常无法用老化进行所有功能测试。

不过在某些情况下,运用特殊的系统设计技术在老化环境下进行速度测试也是可能的。老化系统中的测试可以指任何方面,从对每一器件每一管脚进行基本信号测试,到对老化板上的所有器件作几乎100%功能测试,这一切均视器件复杂性及所选用的老化测试系统而定。可以说对任何器件进行100%功能测试都是可以做得到的,但是这些采用的方法可能会减少老化板上的器件密度,从而增加整体成本并降低产量。

在老化中进行测试的好处有:

1、  将耗时的功能测试移到老化中可以节约昂贵的高速测试仪器的时间。如果老化后只进行参数测试及很少的功能测试,那么用现在设备可测试更多器件,仅此一点即可抵消因采用老化测试方案而发生的费用。

2、  达到预期故障率的实际老化时间相对更短。过去器件进行首批老化时都要先藉由168小时,这是人们期望发现所有早期故障的标准起始时间,而这完全是因为手头没有新器件数据所致。在随后的半年期间,这个时间会不断缩短,直到用实验和误差分析方法得到实际所需的老化时间为止。在老化同时进行测试则可以藉由检查老化系统生成的实时记录及时发生产生的故障。尽快掌握老化时间可提高产量,降低器件成本。

3、  及时对生产过程作出反馈。器件故障有时直接对应于某个制造过程或者某生产设备,在故障发生时及时了解信息可立刻解决可能存在的制程缺陷,避免制造出大量不合格产品。

4、  确保老化的运行情况与期望相符。藉由监测老化板上的每个器件,可在老化一开始时就先更换已经坏了的器件,这样使用者可确保老化板和老化系统按预先设想的状况运行,没有产能上的浪费。

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