在老化的同時進行功能測試

   為(wei) 了達到滿意的合格率，幾乎所有產(chan) 品在出廠前都要先經過老化。製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。

在開始使用後的幾小時到幾天之內(nei) 出現的缺陷（取決(jue) 於(yu) 製造工藝的成熟程度和器件總體(ti) 結構）稱為(wei) 早期故障，老化之後的器件基本上要求100%通過這段時間。準確確定老化時間的*方法是參照以前收集到的老化故障及故障分析統計數據，而大多數生產(chan) 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(chan) 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據以便用來改進器件的性能。

一般來講，老化工藝通過工作環境和電氣性能兩(liang) 方麵對半導體(ti) 器件進行苛刻的試驗使故障盡早出現，典型的半導體(ti) 壽命曲線如圖1。由圖可見，主要故障都出現在器件壽命周期開始和zui後的十分之一階段。老化就是加快器件在其壽命*%部分的運行過程，迫使早期故障在更短的時間內(nei) 出現，通常是幾小時而不用幾月或幾年。

不是所有的半導體(ti) 生產(chan) 廠商對所有器件都需要進行老化。普通器件製造由於(yu) 對生產(chan) 工藝比較了解，因此可以預先掌握經過統計得出的失效預計值。如果實際故障率高於(yu) 預期值，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(yu) 10年前幾乎一樣，不同之處僅(jin) 僅(jin) 在於(yu) 如何更好地利用老化時間。提高溫度、增加動態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分到功能測試上，而且通過對故障點的監測還能收集到一些有用信息，從(cong) 總體(ti) 上節省生產(chan) 成本，另外，這些信息經統計後還可證明找出某個(ge) 器件所有早期故障所需的時間是否合適。

過去的老化係統

進行老化的*個(ge) 原因是為(wei) 了提高半導體(ti) 器件的可靠性，目前為(wei) 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(nei) 進行，給器件加上電子偏壓，大部分時候還使用動態驅動信號。

很多公司想減少或者全部取消老化，但是他們(men) 又找不到其他可靠的替代方法能夠在產(chan) 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(hui) 長久存在下去。半導體(ti) 生產(chan) 廠商另外也希望通過老化做更多的事，而不是浪費寶貴時間被動地等待元件送來做老化。

過去的老化係統設計比較簡單。10年以前，老化就是把一個(ge) 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（靜態老化）並升高溫度，168個(ge) 小時之後將器件取出進行測試。如果經100%測試後仍然性能完好，就可以保證器件質量可靠並將其發送給用戶。

如果器件在老化時出現故障，則會(hui) 被送去故障分析實驗室進行分析，這可能會(hui) 需要幾周的時間。實驗室提供的資料將用來對設計和生產(chan) 工藝進行細微調節，但這也表明對可能出現的嚴(yan) 重故障采取補救措施之前生產(chan) 已進行了幾個(ge) 星期。目前工程師們(men) 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(jue) 老化的根本問題，即減少成本與(yu) 時間。於(yu) 是半導體(ti) 製造商們(men) 采用了另一種老化方式：在老化中進行功能測試。

為(wei) 什麽(me) 要在老化時進行測試

在老化階段進行半導體(ti) 測試之所以有意義(yi) 有多種原因，在探討這些原因之前，我們(men) 首先要明確“測試”的真正含義(yi) 。

一般半導體(ti) 測試要用到昂貴的高速自動測試設備，在一個(ge) 電性能條件可調的測試台上對半導體(ti) 作測試。它還可以在標稱性能範圍之外進行，完成功能（邏輯）和參數（速度）方麵的測試，像信號升降時間之類的參數可到皮秒級。也許是因為(wei) 可控測試環境隻有一個(ge) 器件作為(wei) 電性負載，所以信號轉換很快，能夠進行真實的器件響應參數測量。

但在老化的時候，為(wei) 提高產(chan) 品的產(chan) 量是能夠同時對盡可能多的器件作老化。為(wei) 滿足這一要求，可把多個(ge) 器件裝在一個(ge) 大的印刷線路板上，這個(ge) 板稱為(wei) 老化板，它上麵的所有器件都並聯在一起。大型老化板的物理電氣特性不能和隻測試一個(ge) 器件的小測試台相比，因為(wei) 老化板上的容性和感性負載會(hui) 給速度測試帶來麻煩。所以我們(men) 通常無法用老化進行所有功能測試。不過在某些情況下，運用特殊的係統設計技術在老化環境下進行速度測試也是可能的。

老化係統中的“測試”可以指任何方麵，從(cong) 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100%功能測試，這一切均視器件複雜性及所選用的老化測試係統而定。可以說對任何器件進行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(hui) 減少老化板上的器件密度，從(cong) 而增加整體(ti) 成本並降低產(chan) 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約昂貴的高速測試儀(yi) 器的時間。如果老化後隻進行參數測試及很少的功能測試，那麽(me) 用現有設備可測試更多器件，*一點即可抵消因采用老化測試方案而發生的費用。

2． 達到預期故障率的實際老化時間相對更短。過去器件進行*老化時都要先經過168小時，這是人們(men) 期望發現所有早期故障的標準起始時間，而這*是因為(wei) 手頭沒有新器件數據所致。在隨後的半年期間，這個(ge) 時間會(hui) 不斷縮短，直到用實驗和誤差分析方法得到實際所需的老化時間為(wei) 止。在老化同時進行測試則可以通過檢查老化係統生成的實時記錄及時發現產(chan) 生的故障。盡快掌握老化時間可提高產(chan) 量，降低器件成本。

3． 及時對生產(chan) 工藝作出反饋。器件故障有時直接對應於(yu) 某個(ge) 製造工藝或者某生產(chan) 設備，在故障發生時及時了解信息可立刻解決(jue) 可能存在的工藝缺陷，避免製造出大量不合格產(chan) 品。

4． 確保老化的運行情況與(yu) 期望相符。通過監測老化板上的每個(ge) 器件，可在老化一開始時就先更換已經壞了的器件，這樣使用者可確保老化板和老化係統按預先設想的狀況運行，沒有產(chan) 能上的浪費。

老化測試係統類型

目前市麵上有多種老化測試係統實現方法，除了老化係統生產(chan) 廠商製造的通用型產(chan) 品外，半導體(ti) 廠商也在內(nei) 部開發了一些供他們(men) 自己使用的此類係統。大多數係統都采用電腦作主機，用於(yu) 數據采集和電路基本控製，而一些非計算機係統隻能用LED作為(wei) 狀態指示器，需要人工來收集數據。

為(wei) 了能對老化板上的每一器件作獨立測試，必須要在老化係統控製下將每個(ge) 器件與(yu) 其他器件進行電性隔離。存儲(chu) 器件非常適合於(yu) 這種場合，因為(wei) 它們(men) 被設計成按簇方式使用並帶有多路選通信號，而邏輯器件則可能無法使用選通信號，這使得在老化係統中設計通用邏輯測試會(hui) 更難一些。因此針對不同器件類型存在不同的邏輯老化係統是很正常的。

老化測試係統可歸為(wei) 兩(liang) 大類：邏輯器件和存儲(chu) 器。邏輯器件測試係統又可分為(wei) 兩(liang) 類：並行和串行；同樣，存儲(chu) 器測試係統也可分為(wei) 兩(liang) 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(liang) 類係統中難度zui大的，這是因為(wei) 邏輯產(chan) 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(wei) 使一種老化測試係統適應所有類型的邏輯器件，必須要有大量的輸入輸出引線，這樣係統才能生成多引腳器件通常所需的多種不同信號。老化係統還要有一個(ge) 驅動板，作為(wei) 每個(ge) 信號通路的引腳驅動器，它一般采用較大的驅動電流以克服老化板的負載特性。

輸出信號要確保能夠對需作老化的任何器件類型進行處理。如果老化板加載有問題，可以將其分隔成兩(liang) 個(ge) 或更多的信號區，但是這需要將驅動板上的信號線數量增加一倍。大多數並行輸出信號利用邏輯、預編程EPROM、或可重編程及可下載SRAM產(chan) 生，用SRAM的好處是可利用計算機重複編程而使老化係統適用於(yu) 多種產(chan) 品。

邏輯器件老化測試主要有兩(liang) 種實現方法：並行和串行，這指的是係統的輸入或監測方式。一般來說所有邏輯器件測試係統都用並行方式把大量信號傳(chuan) 給器件，但用這種方式進行監測卻不能將老化板上的每一個(ge) 器件分離出來。

?並行測試法

並行測試是在老化過程中進行器件測試zui快的方法，這是因為(wei) 有多條信號線連在器件的輸入輸出端，使數據傳(chuan) 輸量達到zui大，I/O線的輸入端由係統測試部分控製。並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，係統就可通過選擇方法分別連到每一個(ge) 器件上，如使用片選引腳，所有器件都並聯起來，一次隻選中一個(ge) 器件生成返回信號（圖2）。係統提供專(zhuan) 門的器件選擇信號，在測試過程中一次選中一個(ge) ，老化時所有器件也可同時被選並接收同樣的數據。

用這種方法每個(ge) 器件會(hui) 輪流被選到，器件和老化係統之間的大量數據通過並行總線傳(chuan) 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載影響，這可能會(hui) 使器件在總線上的數據傳(chuan) 輸速度下降。

?單引腳信號返回 這個(ge) 方法裏所有器件都並聯在一起，但每個(ge) 器件有一個(ge) 信號返回引腳除外，所有器件同時進入工作狀態，由係統選擇所監測的器件並讀取相應的信號返回線。該方法類似於(yu) 串行測試法，但信號引腳一般檢測的是邏輯電平，或者是可以和預留值比較的脈衝(chong) 模式。檢測到的信號通常表示器件內(nei) 部自檢狀態，它存在器件內(nei) 以供測試之用，如果器件沒有自檢而隻是單純由係統監測它的一個(ge) 引腳，那麽(me) 測試可信度將會(hui) 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(cong) 每個(ge) 器件返回的信號更多。由於(yu) 每個(ge) 器件有更多信號返回線，所以這種方法要用到多個(ge) 返回監測線路。而又因為(wei) 必須要有大量返回線路為(wei) 該方法，因此會(hui) 使係統總體(ti) 成本急劇增加。沒有內(nei) 部自檢而且又非常複雜的器件可能就需要用這種方法。

?串行測試法

串行測試比並行測試操作容易一些，但是速度要慢很多。除了每個(ge) 器件的串行信號返回線，老化板上的每個(ge) 器件通常都並聯在一起。該方法用於(yu) 有一定處理功能並可通過一條信號返回線反映各種狀態的器件。測試時傳(chuan) 送的數據必須進行解碼，因此老化板上應有數據處理係統。

?RS-232C或同等協議 一種串行監測方法是在老化板上采用全雙工RS-232C通信協議，所有器件的其他支持信號（如時鍾和複位）都並聯在一起（圖3）。RS-232C發送端（TxD）通常也連到所有器件上，但同時也支持老化板區域分隔以進行多路複用傳(chuan) 輸。

每個(ge) 器件都將信號返回到驅動板上的一個(ge) RS-232C接收端（RxD），該端口在驅動板上可以多路複用。驅動電路向所有器件傳(chuan) 送信號，然後對器件的RxD線路進行監控，每個(ge) 器件都會(hui) 被選到，係統則將得到的數據與(yu) 預留值進行比較。這種測試係統通常要在驅動板上使用微處理器，以便能進行RS-232C通信及作為(wei) 故障數據緩衝(chong) 。

?邊界掃描（JTAG）: 邏輯器件老化的趨勢是采用IEEE 1149.1規定的方法。該方法也稱為(wei) JTAG或邊界掃描測試，它采用五線製（TCK、TDO、TDI、TMS及TRST）電子協議，可以和並行測試法相媲美。

采用這種方法時，JTAG測試端口和整個(ge) 係統必須要設計到器件的內(nei) 部。器件上用於(yu) JTAG測試的電路屬於(yu) 測試口，用來對器件進行測試，即使器件裝在用戶終端係統上並已開始工作以後，該測試口還可以使用。一般而言，JTAG端口采用很長的串聯寄存器鏈，可以訪問到所有的內(nei) 部節點。每個(ge) 寄存器映射器件的某一功能或特性，於(yu) 是，訪問器件的某種狀態隻需將該寄存器的狀態數據串行移位至輸出端即可。

采用同樣技術可完成對器件的編程，隻不過數據是通過JTAG端口串行移位到器件內(nei) 部。IEEE 1149.1的說明裏詳細闡述了JTAG端口的操作。

存儲(chu) 器老化

存儲(chu) 器老化和測試的線路實現起來相對簡單一些，所有器件通過統一方式寫(xie) 入，然後單獨選中每個(ge) 器件，將其存入的數據讀出並與(yu) 原來的值對照。由於(yu) 具有控製和數據采集軟件以及故障數據評估報告算法，所以存儲(chu) 器老化測試對生產(chan) 商非常有用。

大多數存儲(chu) 器件支持多個(ge) 選通引腳，因而老化測試係統采用簇方式讀回數據。某些係統具有很寬的數據總線，每一簇可同時讀取多個(ge) 器件，再由電腦主機或類似的機器對器件進行劃分。增加老化板上的並行信號數量可提高速度，減少同一條並行信號線所連器件數，並且降低板子和器件的負載特性。

?易失性存儲(chu) 器（DRAM和SRAM）

易失性存儲(chu) 器測試起來是zui簡單的，因為(wei) 它無需特殊算法或時序就可進行多次擦寫(xie) 。一般是所有器件先同時寫(xie) 入，然後輪流選中每個(ge) 器件，讀回數據並進行比較。

由於(yu) 在老化時可重複進行慢速的刷新測試，因此DRAM老化測試能夠為(wei) 後測工藝節省大量時間。刷新測試要求先將數據寫(xie) 入存儲(chu) 器，再等待一段時間使有缺陷的存儲(chu) 單元放電，然後從(cong) 存儲(chu) 器中讀回數據，找出有缺陷的存儲(chu) 單元。將這部分測試放入老化意味著老化後的測試工藝不必再進行這種很費時的檢測，從(cong) 而節省了時間。

?非易失性存儲(chu) 器（EPROM和EEPROM）

非易失性存儲(chu) 器測試起來比較困難，這是因為(wei) 在寫(xie) 入之前必須先將裏麵的內(nei) 容擦除，這樣使得係統算法更困難一些，通常還必須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：把數據寫(xie) 入存儲(chu) 器再用更複雜的算法將其讀回。

老化測試係統性能

有許多因素會(hui) 影響老化測試係統的整體(ti) 性能，下麵是一些主要方麵：

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的時間zui少，這樣可以提高總體(ti) 產(chan) 量。惡劣的電性能條件有助於(yu) 故障加速出現，因此能快速進行反複測試的係統可減少總體(ti) 老化時間。每單位時間裏內(nei) 部節點切換次數越多，器件受到的考驗就越大，故障也就出現得更快。

2．老化板互連性、PCB設計以及偏置電路的複雜性。老化測試係統可能被有些人稱為(wei) 高速測試，但是，如果機械連接或老化板本身特性會(hui) 削弱信號質量，那麽(me) 測試速度將會(hui) 是一個(ge) 問題。如像過多機電性連接會(hui) 增大整個(ge) 係統的總電容和電感、老化板設計不良會(hui) 產(chan) 生噪聲和串擾、而很差的引腳驅動器設計則會(hui) 使快速信號沿所需的驅動電流大小受到限製等等，這些都僅(jin) 是一部分影響速度的瓶頸，另外由於(yu) 負載過大並存在阻抗、電路偏置以及保護元件值的選擇等也會(hui) 使老化的性能受到影響。

3．計算機接口與(yu) 數據采集方式。有些老化測試係統采用分區方法，一個(ge) 數據采集主機控製多個(ge) 老化板，另外有些係統則是單板式采集。從(cong) 實際情況來看，單板式方法可以采集到更多數據，而且可能還具有更大的測試產(chan) 量。

4．對高速測試儀(yi) 程序的下載及轉換能力。有些老化測試係統有自己的測試語言，對需要做100%節點切換的被測器件不用再開發程序；而有些係統能夠把高速測試儀(yi) 程序直接轉換到老化應用上，可以在老化過程中進行更準確的測試。

5．係統提供參數測試的能力。如果老化測試係統能進行一些速度測試，那麽(me) 還可得到其他一些相關(guan) 失效數據以進行可靠性研究，這也有助於(yu) 精簡老化後測試工藝。

6．根據時間動態改變測試參數的能力，如電壓與(yu) 頻率。如果老化測試係統能夠即時改變參數，則可以加快通常屬於(yu) 產(chan) 品壽命後期階段故障的出現。對於(yu) 某些器件結構，直流電壓偏置及動態信號的功率變動都可加速出現晚期壽命故障。

7．計算機主機與(yu) 測試係統之間的通信。由於(yu) 功能測試程序非常長，因此測試硬件的設計應盡可能提高速度。一些係統使用較慢的串行通信，如RS-232C或者類似協議，而另一些係統則使用雙向並行總線係統，大大提高了數據流通率。

結束語

在老化過程中進行測試會(hui) 帶來一些成本問題，但zui困難的是找出一個(ge) 測試方法完成器件所有可能的測試項目。

對邏輯產(chan) 品而言，JTAG法是一種zui通用的老化測試方式，因為(wei) 器件上的測試端口是一致的，這樣老化硬件線路就可保持不變。

對存儲(chu) 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(chu) 器都能進行處理的測試係統；而在大批量情況下，則是采用不同的係統以降低成本。