Testen in der Fertigung Schön warm im Ofen

Um die Zuverlässigkeit von Halbleiter-ICs sicherzustellen, werden die Bauteile einem Burn-in-Stress-Test bei Temperaturzyklen mit erhöhter Betriebsspannung und aktiven Testpattern unterzogen. Dabei...

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Um die Zuverlässigkeit von Halbleiter-ICs sicherzustellen, werden die Bauteile einem Burn-in-Stress-Test bei Temperaturzyklen mit erhöhter Betriebsspannung und aktiven Testpattern unterzogen. Dabei können vor allem jene Chips, die eine große Eigenleistung aufweisen und bereits im normalen Betrieb relativ hohe Sperrschichttemperaturen erreichen, durch Überhitzung beschädigt werden. Burn-in-Testsysteme, die mit individueller Temperaturkontrolle arbeiten, vermeiden dieses Problem.Für Prozesstechniken ab 90 nm und darunter ist der Burn-in-Test von Halbleiter-ICs mit gewissen Risiken verbunden. Bei konventionellen Testverfahren werden mehrere Hundert Bauteile in einer Testkammer durch Aufheizen und Umwälzen von Luft in der Kammer auf die eingestellte Temperatur gebracht. Da die Chiptemperatur von diversen Parametern abhängt, können vor allem komplexe SoC-Bauteile mit hoher Eigenleistung beim aktiven Test eine Verlustleistung von 200 W und mehr entwickeln. Auch wird bei stetig dünneren Gatteroxidschichten der Bauteil-Leckstrom immer größer und steigt mit zunehmender Temperatur weiter an, was die Bauteile zusätzlich erwärmt.Ferner kommt hinzu, dass Stress-Pattern während des Burn-in-Tests zu einer schnell wechselnden Bauteiltemperatur führen, weswegen die Chips in der Temperaturkammer erheblich unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. (Weil bei dynamischen Burn-in-Tests meistens viele Bauteile gleichzeitig geprüft werden, legt der Entwickler so genannte „Scan-Testpattern“ bei wechselnden Temperaturen und erhöhter Betriebsspannung an. Rein statistische Burn-in-Verfahren laufen ohne Testpattern und nur bei erhöhter Spannung und Temperatur ab.) Die Folge all dieser Begleiterscheinungen ist eine Beschädigung der Chips durch Überhitzung.Um dies zu vermeiden, benötigen Bauteile mit aktueller Chiptechnik und größerer Leistungsaufnahme eine exakte Temperaturüberwachung und -regelung während des Burn-in-Prozesses. Die Japan Engineering Co. Ltd. – ein Tochterunternehmen der Advantest Corporation, das auf Burn-in-Testsysteme spezialisiert ist – hat mit der Serie B75xx Testsysteme entwickelt, die mit einer individuellen Temperaturkontrolle ausgestattet sind. Bild 2 zeigt das Schema dieser Anlagen: Statt üblicher Temperaturkammer setzt der Hersteller zusätzlich einen Thermoaufsatz auf der Oberseite jedes Bauteils ein, der mit Kühlungsmechanismus, Temperatursensor und Heizelement ausgestattet ist (Bild 1 - siehe Heftseite).Über Temperatursensoren, die den Kühlmittelfluss und die integrierten Heizelemente steuern, lässt sich die Temperatur der Bauteile sehr genau auf dem zuvor definierten Wert halten. Der Kühlungsmechanismus arbeitet mit einem flüssigen Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf und kann dadurch die Wärme, die das Bauteil erzeugt, abführen. So lässt sich die Temperatur jedes einzelnen Bauteils unabhängig von der erzeugten Eigenerwärmung regulieren. Möglich machen dies der geringe Wärmewiderstand zwischen Bauteil und Kühlmittel sowie die thermische Isolierung des Temperatursensors gegen Heizelement und Kühlkreislauf.Innerhalb der Systemfamilie sind diverse Gerätevarianten erhältlich. Alle Anlagen besitzen eine Pinelektronik für Testraten bis 10 MHz. Getestet werden kann mit Stress-Pattern aus einem Vektorspeicher mit einer Tiefe von 4 MWorten oder mit einem optionalen Scan-Pattern-Generator mit einer Speichertiefe von 1 GBit bei Temperaturen von 85 bis 150 oC. Modell B7531 wurde für Bauteile mit einer Verlustleistung von etwa 10 bis 80 W/Bauteil entwickelt und erlaubt den parallelen Test von 640 Bauteilen. Variante B7571 ist für Verlustleistungen von 70 bis 150 W/Bauteil ausgelegt und prüft bis zu 384 Bauteile. Gilt es dagegen Bauteile mit einer max. Verlustleistung bis 300 W/Bauteil zu testen, steht Version B7552 bereit, mit der der Entwickler 192 Bauteile prozessieren kann.

Yoshi Mitani

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