كيف يحسّن مبرد أشباه الموصلات الخاضع للتحكم في درجة الحرارة الموثوقية؟

لماذا يُعد الاستقرار الحراري ضروريًّا لتحقيق دقة الاختبار والعائد

كيف تؤدي التغيرات الحرارية الأصغر من الدرجة إلى حدوث حالات فشل كاذبة وانحراف في القياسات

خلال دورة اختبار واحدة لرقاقة أشباه الموصلات، فإن التغيرات الحرارية الأقل من درجة واحدة ستؤدي إلى مشاكل جوهرية. ويمكن أن تسبب هذه التغيرات انزياح بطاقات الاختبار (probe cards). وعندما تنزاح بطاقات الاختبار، قد تتعطل المحاذاة الكهربائية للتلامس، ما يؤدي إلى رفض الرقائق الصالحة فعليًّا بشكلٍ خاطئ. وفي الوقت نفسه، ستتأثر أدوات القياس أيضًا بالانجراف الحراري الناتج عن تغيرات المقاومة الحرارية، وتبدأ في إجراء قياسات غير دقيقة (ظاهرة الانجراف الأنفي - nose-drift). فعلى سبيل المثال، يؤدي انجراف حراري بمقدار ٠٫٥ °م إلى انجراف في فجوة الطاقة في السيليكون بنسبة تقارب ٠٫٣٪، ما ينتج عنه قياسٌ خاطئٌ لمعظم الاختبارات المُطبَّقة على المعايير. وبسبب كل هذه التناقضات الحرارية، تنخفض معدلات نجاح الاختبارات (test hits) وموثوقية المنتج بشكلٍ كبير. ولذلك، يضطر المصنعون إلى إنفاق مبالغ كبيرة على أنظمة تحكم حراري فائقة الدقة تضمن استقرار درجة الحرارة لتفادي الأخطاء الجسيمة والمكلفة.

أظهرت البيانات التجريبية أنه عند الحفاظ على استقرار درجة الحرارة ضمن نطاق ±0.1 °م، يزداد متوسط العائد بنسبة 2.3% في اختبار رقائق المنطق بقطر 300 مم.

أشارت الدراسات الصناعية إلى وجود ارتباط بين استقرار درجة حرارة الغرفة ومستوى أداء الرقائق (الوافرات). وذكرت مجلة اختبار أشباه الموصلات العام الماضي أن منشآت اختبار رقائق المنطق بقطر 300 مم سجّلت زيادةً بنسبة 2.3% في العائد (الييلد) عندما تم تثبيت درجة الحرارة ضمن مدى ±0.1°م. ولماذا يحدث هذا؟ إن ضيق نطاق درجة الحرارة يعني خفضاً في نتائج الاختبار السلبية الكاذبة التي قد تظهر. وقدّرت التقديرات أن زيادة العائد بنسبة 1% فقط في عدد الرقائق يمكن أن تستعيد ملايين الدولارات من قيمة المنتج في عمليات التصنيع على نطاق واسع. ولذلك، تستخدم الشركات مبرِّدات خاضعة للتحكم في درجة الحرارة في عمليات تصنيع أشباه الموصلات. ويمكن لهذه المبرِّدات ضبط درجة الحرارة والحفاظ عليها بدقة تصل إلى ±1°م، مما يُحقِّق أكبر تأثيرٍ ممكن على ضمان الجودة (QC) وعلى قائمة الأرباح والخسائر (P&L) في الشركة.

فوائد الابتكار الأول في مبرِّدات أشباه الموصلات الخاضعة للتحكم في درجة الحرارة

دقة ± ٠٫١°م مع ضبط تلقائي في الزمن الحقيقي وفق خوارزمية التحكم التناسبي-التكاملي-التفاضلي (PID) وتغذية راجعة من مستشعرَيْن

أثناء الاختبارات التي تُجرى باستخدام أشباه الموصلات والتكنولوجيا المشابهة، قد تؤدي التقلبات في الطاقة إلى إنتاج بيانات خاطئة. ولهذا السبب، تتطلب الاختبارات ذات الحالة الصلبة تركيزًا بالغ الأهمية على استقرار درجة الحرارة. وتستخدم معظم بيئات الاختبار نظامَ تغذيةٍ راجعةٍ مزدوجَ الاستشعار. ويتكوّن هذا النظام من مستشعرٍ عند المدخل ومستشعرٍ آخر عند المخرج. وبالإضافة إلى ذلك، تستخدم بيئات الاختبار وحدات تحكُّم من نوع PID لإجراء التعديلات الفورية. وهذه التكنولوجيا، جنبًا إلى جنب مع أساليب الاختبار الخاصة التي طوّرتها الشركة، تحلُّ مشكلة التأخُّر الحراري التي يقضِي المهندسون ساعاتٍ طويلةً في معالجتها. فدقة وحدة التحكم من نوع PID تسمح باستقرار درجات الحرارة حتى في حال حدوث تغيُّرات سريعة في وظائف معدات الاختبار. وكان ثلث خطأ قياس الاختبار، الذي يُقاس على شكل انجراف في القياس، ناتجًا عن دقة نظام التغذية الراجعة المزدوجة للاستشعار مقارنةً بالأنظمة القديمة. وبجانب تحسين دقة الاختبار، فإن أنظمة التغذية الراجعة من الاستشعار والتأخُّر الحراري تطيل عمر معدات الاختبار وتحسِّن وظائفها من خلال تقليل عدد الدورات التي تمرُّ بها وحدات الضغط الخاصة بها. ومعروفٌ لدى معظم المهندسين أن عمر وحدة الاختبار ينخفض بشكلٍ كبيرٍ نتيجة لذروات درجة الحرارة الناتجة عن التشغيل والإيقاف المتكرِّر لوَحدات الضغط.

يتمحور هذا الإعداد بالكامل حول تحسين النتائج وزيادة متانة الأدوات.

لمنع تداخل محطات الاختبار مع بعضها البعض بسبب الحرارة غير المرغوب فيها، نستخدم العزل الحراري متعدد القنوات.

عند اختبار الرقائق (الوافرز) بكميات كبيرة، نستخدم الاختبار المتوازي. ومع ذلك، قد يؤدي التداخل الحراري المتبادل بين أماكن الاختبار إلى نتائج اختبار غير دقيقة. ويُصمَّم العزل الحراري متعدد القنوات لتفادي هذا التداخل من خلال ضمان تزويد كل مكان اختبار بمضخات خاصة به، ومبادلات حرارية، ووحدات تحكم في التدفق. وبهذه الطريقة، يُحافظ على التغيرات الحرارية عند كل محطة اختبار عند قيمة مُعرَّفة واحدة، ويُمنع حدوث تغيرات حرارية متبادلة.

استراتيجية العزل: التأثير الناتج عن التغير في درجة الحرارة على العائد

حلقة واحدة > ١٫٠°م: خسارة تتراوح بين ٣٪ و٥٪

متعدد القنوات < ٠٫٠٥°م: ربح بنسبة ١٫٢٪

أظهرت دراسة ركَّزت على إدارة الحرارة في أشباه الموصلات وأُجريت في عام ٢٠٢٣ أن إدارة الحرارة عبر قنوات العزل أثناء الاختبارات المتعددة المواقع في مراكز الاختبار أدَّت إلى انخفاض نسبة الفشل الكاذب بنسبة ١٩٪. علاوةً على ذلك، فإن تصميم قنوات إدارة الحرارة المعزولة يمنع التداخل المتبادل ويسهِّل عمليات الصيانة من خلال تمكين خدمة قناة إدارة الحرارة بشكل فردي دون الحاجة إلى إيقاف العملية الإنتاجية بأكملها.

يجب أن تمتلك وحدات التبريد الخاضعة للتحكم الحراري المبنية على أشباه الموصلات مستوىً عالياً من المتانة في التصميم لتفادي نقاط الفشل الأحادية التي قد تتسبب في تعطيل النظام أثناء الاختبار. والاتجاه السائد في القطاع هو استخدام مضختين وضاغطين، بحيث إذا حدث خللٌ في المكوّن الرئيسي، فإن المكوّن الاحتياطي يبدأ بالعمل فوراً ويمنع تلك التقلبات الحرارية المزعجة. كما أن الصيانة التنبؤية أصبحت معياراً شائعاً في وحدات التبريد؛ إذ يمكنها تحليل اهتزازات سوائل التشغيل وتدفُّقها وتحديد المشكلات قبل ظهورها. وبالفعل، أفادت بعض المصانع المصنِّعة للدوائر المتكاملة (fabs) بأن هذه المراقبة أدَّت إلى انخفاضٍ بنسبة ٣٠٪ في وقت التوقف غير المخطط له. علاوةً على ذلك، فإن الحفاظ على حالة تشغيلٍ مستقرةٍ أمرٌ جوهريٌّ لفعالية الصيانة التنبؤية في وحدات التبريد؛ فهي مزوَّدة بصمامات تحكم خاصة تحافظ على درجات الحرارة ضمن عُشر درجة مئوية واحدة، ويمكنها تعديل إعدادات التحكم التناسبي-التكاملي-التمايلي (PID) فورياً لتوفير استجابات سريعة للتغيرات في الحمل. وإن الإجراءات الوقائية العديدة المدمَجة في وحدات التبريد تُسهم فعلاً في إطالة عمر المعدات وتقليل الأثر السلبي الناتج عن النتائج السلبية الكاذبة على دورات الإنتاج، وفق ما ورد في التقارير الصادرة عن القطاع حول صحة المعدات.

مبردات أشباه الموصلات الخاضعة للتحكم في درجة الحرارة وتأثير خفض الإجهاد الحراري على عمر الأجهزة الصلبة

يتم تقليل تدهور بطاقات الاختبار بنسبة 37% في المتوسط

تؤدي اختبارات الرقائق إلى تغيرات سريعة وشديدة في درجات الحرارة، مما يؤدي إلى إجهاد دوري حراري على بطاقات الاختبار (Probe Cards) وانهيار ميكانيكي سريع لتجميعات القياس. ومع ذلك، وباستخدام المبردات الميكانيكية المصممة خصيصًا لقطاع أشباه الموصلات جنبًا إلى جنب مع هذه الاختبارات، فإن المشكلات المرتبطة بالدورات الحرارية والانهيار الميكانيكي لمفاصل اللحام، والإجهاد التعبوي، والتشققات في أطراف القياس (Probes) والأسلاك تقل بشكل ملحوظ. وغالبًا ما تُنشر مدة عمر المكونات، وفي حالتك تزداد متوسط مدة عمر المكونات بنسبة ١٠٠٪ عند خفض درجة حرارة التشغيل بمقدار ١٠ درجات مئوية. أما بالنسبة لبطاقات الاختبار (Probe Cards)، فإن عمرها التشغيلي أطول بكثير من دورة الاستبدال المعتادة. وتوفّر المبردات التي تحافظ على الاستقرار الحراري ضمن نطاق ±٠٫١ درجة مئوية عائد استثمارٍ ملموس ناتج عن زيادة العمر التشغيلي لبطاقات الاختبار. وقد أشارت بيانات الاختبار الميداني من مواقع اختبار المنطق عالية الحجم إلى أن زيادة العمر التشغيلي لمعدات الاختبار نتيجة تقليل الإجهاد التعبوي الدوري الحراري هي أمرٌ موثَّق. وباستخدام المعدات المناسبة، يمكن زيادَة العمر التشغيلي لمعدات الاختبار بنسبة ٣٧٪. علاوةً على ذلك، وبسبب انخفاض الإجهاد التعبوي الدوري الحراري، يصبح عدد مرات إعادة معايرة المعدات أقل، ما يؤدي إلى تحسين الاتساق التشغيلي للمعدات.

الأسئلة الشائعة

ما الأثر الذي تتركه الاستقرار الحراري في تقييمات أشباه الموصلات؟
من حيث تقييمات أشباه الموصلات، يُعد الاستقرار الحراري ضروريًّا في تقييمات أشباه الموصلات لأنه يسمح بتحديد الموضع الصحيح للتوصيلات الكهربائية، والحصول على قيم قياس مستقرة، وتجنب رفض الرقائق الجيدة باعتبارها معيبة.

ما أثر دقة التحكم في درجة الحرارة على معدل العوائد (Yield) لأقراص السليكون (Wafers)؟
يُعَد تحسين دقة التحكم في درجة الحرارة، وبخاصة في النطاق ±0.1°م، أحد أهم العوامل لتحسين معدل العوائد، إذ يخفف من مخاوف انجراف القياسات والنتائج السلبية الخاطئة. وقد أُبلغ عن أن تحسُّن معدل العوائد في أقراص السليكون المنطقية (Logic Wafers) مقاس 300 مم بلغ ما نسبته 2.3%.

ما الغرض من وجود وحدات تبريد خاضعة للتحكم في درجة الحرارة ذات تصميم احتياطي (Redundancy)؟
في وحدات التبريد، تتيح ميزة التكرار استمرار التشغيل دون انقطاع من خلال استخدام أنظمة احتياطية مثل المضختين والضاغطين المزدوجين. ويقلل ذلك من احتمال حدوث تغيرات مفاجئة في درجة الحرارة الناتجة عن أعطال في النظام.