Il ritmo di sviluppo dei semiconduttori sta accelerando grazie all’accresciuta velocità con cui sbocciano le innovazioni tecnologiche. La quotidianità dipende dai semiconduttori in quasi ogni suo aspetto, il loro test ne garantisce le prestazioni e l’affidabilità sulla lunga distanza
Il test dei semiconduttori è un processo cardine che valuta la funzionalità, le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi, è eseguito durante le varie fasi del ciclo di fabbricazione che va dalla progettazione alla fase finale di produzione. Sono condotti vari test elettrici e di burn-in completamente automatizzati a livello di wafer e di package, che assicurano che i dispositivi prodotti soddisfano tutti gli standard di riferimento richiesti prima di essere incorporati nei prodotti elettronici.
In particolare, il test dei semiconduttori ha l’obiettivo di identificare e scartare i dispositivi difettosi (concentrandosi in particolare sugli outlier rispetto ai valori attesi). Questo processo garantisce l’affidabilità e la qualità dei microchip, eliminando quelli che presentano anomalie.
Caratterizzazione, affidabilità e test di produzione
Nella fase di caratterizzazione, vengono analizzate le distribuzioni dei parametri del dispositivo, normalmente rappresentate da una curva gaussiana. L'obiettivo è verificare le prestazioni del dispositivo per garantirne la conformità alle specifiche indicate nella scheda tecnica. Ad esempio, la caratterizzazione può includere il test della funzionalità del dispositivo a diverse temperature operative o con diverse tensioni di alimentazione, per valutarne l'affidabilità in condizioni variabili.
Lo scopo dei test di produzione è identificare e scartare le unità difettose dalla linea di produzione. Questa fase si basa sui risultati dei test ottenuti durante la caratterizzazione. L'obiettivo principale è ottimizzare il processo riducendo al minimo i tempi di test, mantenendo al contempo elevati livelli di qualità e conformità. I test di produzione sono progettati per essere efficienti e scalabili, garantendo che tutti i dispositivi prodotti soddisfino le specifiche richieste.
Il test di affidabilità dei semiconduttori è una valutazione dell'affidabilità eseguita solo all'inizio del ciclo di vita di un dispositivo. Questi test, condotti completamente o parzialmente, contribuiscono a migliorare la qualità del dispositivo, soprattutto se eseguiti in condizioni di stress. Ad esempio, nel test ESD (Electrostatic Discharge), il dispositivo viene sottoposto a una scarica elettrica ad alta tensione per verificarne il mantenimento della piena funzionalità.
ATE per semiconduttori
Microtest Group, con sede ad Altopascio (LU), è uno sviluppatore di innovativi sistemi di test per microchip (su wafer di silicio e su package) oltre ad offrire servizi di testing avanzato.
Sono incluse soluzioni per il test di MEMS (micro-electro – mechanical systems), di dispositivi Mixed Signal, di Power Device, di Handler, e di sistemi per processi come Burn-In e HTOL (High Temperature Operating Life).
L'ATE di Microtest include diversi strumenti utilizzati per eseguire test complessi su componenti elettronici al fine di verificarne la funzionalità, la qualità e l'affidabilità. Questi sistemi sono utilizzati nella produzione, nel controllo qualità e nella ricerca e sviluppo per garantire che i prodotti testati siano conformi ai dati di progetto e soddisfino i requisiti specificati. Le procedure di test automatizzate rilevano guasti, testano l'affidabilità e misurano le prestazioni dei dispositivi in prova in varie configurazioni e condizioni ambientali.
Microtest offre un’ampia gamma di soluzioni di test per semiconduttori realizzate su specifiche esigenze. Le soluzioni adottate offrono una elevata precisione per la convalida delle caratteristiche dei dispositivi, dal wafer al componente racchiuso nel proprio package.
Il Wafer Sorting (WS) è un test eseguito direttamente sul wafer di silicio, che in genere ha un diametro di 6", 8" o 12" e può contenere migliaia di dispositivi. Per eseguire questo test, viene utilizzata una probe station per semiconduttori (prober). Il prober movimenta il wafer e alloggia la probe card, che consente il contatto con il DUT.
Il test finale viene eseguito direttamente sul dispositivo discreto (chip package) utilizzando sistemi dedicati che gestiscono il movimento e il condizionamento in temperatura del componente. A seconda dei requisiti specifici del progetto, è possibile eseguire solo il test finale, senza la necessità del Wafer Sorting.
Gli ATE possono velocemente condurre ogni tipo di misura analogica e digitale sotto la guida della workstation che pilota il test con i tool di emulazione in accordo col progetto del DUT (device under test).
Il cuore del sistema di test è costituito da un’unità contenente i vari slot configurabili con le diverse risorse di test ed è alimentato da un power supply che fornisce tutte le alimentazioni necessarie al test; una device interface board (DIB) collega l’unità col DUT.
Burn-in e qualità
Partendo dai dati di progetto, che contengono le specifiche elettriche e funzionali del dispositivo, viene sviluppato il test program per verificare la conformità del dispositivo con il progetto.
Questo processo è ovviamente applicabile a numerosi contesti, ma si rivela cruciale per i dispositivi safety critical.
Un test iniziale di conformità potrebbe tuttavia non rilevare fenomeni come la mortalità infantile. Per aumentare la qualità dei dispositivi potrebbero essere quindi inserite fasi di testing aggiuntive, come quella del Burn-in.
Nell'ecosistema dei semiconduttori, il processo di burn-in è una delle procedure più delicate e sensibili in quanto aiuta a prevenire difetti intrinseci, comunemente riconosciuti nell'elettronica e descritti dalla cosiddetta curva a vasca da bagno. Questa curva illustra il tasso di difetti durante il ciclo di vita di un componente.
Data la naturale occorrenza di guasti per “mortalità infantile” dei componenti, la procedura di test burn-in mira a identificare quei componenti che presentano guasti precoci e devono quindi essere intercettati e scartati. Il sistema di test burn-in funge infatti da acceleratore di vita capace di far emergere i potenziali e indesiderati guasti precoci.
I guasti per mortalità infantile sono un fattore ad alto rischio perché la loro mancata rilevazione può avere un pesante impatto sulla reputazione del produttore di componenti; se questi componenti difettosi dovessero essere immessi sul mercato, potrebbero causare gravi malfunzionamenti e potenzialmente danneggiare beni o persone.
Al contrario, un componente testato in modo robusto migliora la qualità intrinseca e quella percepita del prodotto, grazie alla sua affidabilità a lungo termine. La qualità ha ovviamente un costo, come nei casi in cui la procedura di test burn-in deve essere eseguita sul 100% delle unità prodotte.
Il sistema burn-in sviluppato da Microtest è particolarmente innovativo perché non richiede la presenza del forno, fattore questo che introduce un'innovazione dirompente e miglioramenti significativi rispetto ai sistemi tradizionali utilizzati per i semiconduttori.
I sistemi tradizionali adottano un approccio che utilizza una camera termica in cui tutti i componenti sono posizionati simultaneamente, insieme all'hardware necessario per garantirne la funzionalità. In sostanza è utilizzata una scheda che ospita i socket coi componenti DUT inserita in una camera termica. Questo approccio causa l'invecchiamento dell'intera scheda (inclusi i componenti non destinati al test), oltretutto portando a una significativa inefficienza termica in parte dovuta all'elevata dispersione di calore per via della dimensione della camera e in parte per la difficoltà nel mantenere una temperatura uniforme su tutti i livelli e le posizioni.
Le variabili che intervengono sull’invecchiamento di un componente sono temperatura e stress elettrico, ma la temperatura accelera anche la crescita dell’intermetallico delle saldature sulla scheda.
Utilizzando la soluzione burn-in senza forno, si evitano due inefficienze:
- dispersione termica e consumo energetico
- la necessità di ampi spazi a causa delle dimensioni della camera
Con la soluzione brevettata da Microtest ogni semiconduttore è sottoposto a un test localizzato e personalizzato. Un riscaldatore a serpentina è posizionato in ogni singolo alloggiamento sulla scheda, localizzato a stretto contatto col DUT a cui cede calore tramite i terminali del componente.
Microtest è in grado di monitorare la temperatura di ogni singolo DUT con un grande vantaggio non solo in termini di efficienza, ma anche di precisione, con una deviazione massima di ±1 °C.
Il sistema utilizza rack con 24 slot. Ogni slot ospita una scheda driver che contiene fino a 120 dispositivi. Il driver è di uso generale: invia gli stimoli verso il DUT e ne raccoglie le informazioni di ritorno. In ogni locazione della scheda driver è posizionato un riscaldatore solidale col socket in cui sono riposti i DUT. Sia il riscaldatore che il socket possono comunque essere progettati su specifica del cliente.
