Hvordan forbedrer en halvleder-temperaturstyringskøler pålideligheden?

Hvorfor er termisk stabilitet afgørende for testnøjagtighed og udbytte

Hvordan forårsager temperaturændringer under én grad falske fejl og måleusikkerhed

Inden for en enkelt testcyklus for en halvlederwafer vil temperaturændringer på under 1 grad forårsage betydelige problemer. Disse ændringer kan få probekortene til at forskyde sig. Når probekortene forskyder sig, kan de elektriske kontakter komme til at misjusteres, hvilket medfører, at korrekte chips forkastes forkert. Samtidig vil måleværktøjerne også drifte som følge af ændringer i termisk modstand og begynde at foretage forkerte målinger (nose-drift). For eksempel påvirker en drift på 0,5 °C siliciums båndafstand således, at den ændres med ca. 0,3 %, hvilket resulterer i forkerte målinger af næsten alle de parametermålinger, vi udfører. På grund af alle disse termiske inkonsistenser reduceres testudbyttet og produktets pålidelighed betydeligt. Derfor er producenterne tvungne til at investere store beløb i yderst præcise termiske kontrolsystemer, der sikrer en stabil temperatur for at undgå alvorlige og kostbare fejl.

Empiriske data har vist, at når temperaturstabiliteten opretholdes inden for ±0,1 °C, øges den gennemsnitlige udbytteprocent med 2,3 % ved test af 300 mm logikwafer.

Industriundersøgelser har vist, at der er en sammenhæng mellem temperaturstabiliteten i rummet og waferens ydeevne. Sidste år angav Semiconductor Testing Journal, at testfaciliteter for 300 mm logikwafer registrerede en stigning i udbyttet på 2,3 %, når temperaturen blev stabiliseret inden for et interval på ±0,1 °C. Hvorfor sker dette? Smalere temperaturintervaller betyder, at antallet af falsk-negative resultater, der kan opstå, reduceres. Det er estimeret, at et udbytte på blot 1 % flere wafer kan gendanne millioner af dollars værdi af produkter i store produktionsanlæg. Virksomheder bruger derfor temperaturregulerede køleanlæg til halvledere i fremstillingsprocessen. Disse køleanlæg kan indstille og opretholde temperaturen inden for 1 °C og har den største indflydelse på kvalitetskontrol (QC) samt virksomhedens resultatopgørelse (P&L).

Fordele ved den første innovation inden for temperaturregulerede køleanlæg til halvledere

+/- 0,1 °C nøjagtighed med realtids-PID-justering og feedback fra dobbelt sensor

Under afprøvning med halvledere og lignende teknologi kan strømsvingninger give forkerte data. Af denne grund kræver tests med faste komponenter en kritisk fokus på temperaturstabilitet. De fleste afprøvningsmiljøer anvender et feedbacksystem med to sensorer. Dette system bruger både en sensor fra indløbet og en sensor fra udløbet. Ud over dette anvender afprøvningsmiljøer PID-regulatorer til at foretage justeringer i realtid. Denne teknologi, kombineret med ejendommelige afprøvningsmetoder, eliminerer problemet med termisk træghed, som ingeniører normalt bruger timer på at løse. Præcisionen i en PID-regulator gør det muligt at opretholde stabile temperaturer, selv ved hurtige ændringer i funktionaliteten af afprøvningsudstyret. Et tredjedel af fejlen i afprøvningsmålinger – målt som måleafdrift – skyldtes præcisionen i feedbacksystemet med to sensorer sammenlignet med ældre systemer. Ud over øget afprøvningsnøjagtighed forlænger sensorfeedback og systemer til håndtering af termisk træghed levetiden og funktionaliteten af afprøvningsudstyret ved at reducere antallet af cyklusser, som deres kompressorer gennemgår. De fleste ingeniører ved, at levetiden for en afprøvningsenhed drastisk nedsættes af temperaturspidsene, der opstår som følge af den periodiske tænd/sluk-cyklus for kompressorerne.

Forbedrede resultater og længere holdbarhed af værktøjer er det, hele denne opsætning handler om.

For at forhindre, at teststationer påvirker hinanden gensidigt som følge af uønsket varme, anvender vi termisk isolation med flere kanaler.

Når der testes wafer i stort volumen, anvender vi parallell test. Termisk krydspåvirkning mellem testbåse kan dog føre til unøjagtige testresultater. Termisk isolation med flere kanaler er designet til at undgå sådan krydspåvirkning ved at sikre, at hver testbås har sine egne pumper, varmevekslere og strømningsregulatorer. På den måde opretholdes termiske variationer på hver teststation på én defineret værdi og forhindres i at påvirke hinanden termisk.

Isoleringsstrategi: Temperaturvariationers indflydelse på udbyttet

Enkelt kreds > 1,0 °C: Tab på 3–5 %

Flere kanaler < 0,05 °C: Forøgelse på 1,2 %

En undersøgelse fra 2023, der fokuserede på termisk styring af halvledere, viste, at termisk styring via isolerede kanaler under flerstedsprøvning på prøvningsfaciliteter resulterede i 19 % færre forkerte fejl. Desuden forhindrer designet af de isolerede termiske styringskanaler krydsforstyrrelser og forenkler vedligeholdelsen ved at gøre det muligt at servicere den termiske styringskanal enkeltvis uden at standse hele produktionsprocessen.

Halvlederstyrede køleanlæg med temperaturregulering skal have en god designmæssig robusthed for at undgå enkeltfejl, der kunne få systemet til at gå ned under testen. Branchens tendens er at anvende dobbelte pumper og dobbelte kompressorer, så hvis der opstår en fejl i den primære komponent, træder reserven i funktion og forhindrer de besværlige temperatursvingninger. Desuden bliver forudsigende vedligeholdelse mere og mere almindelig i køleanlæg. De kan analysere vibrationer og strømningsforhold for de brugte væsker og identificere problemer, inden de opstår. Nogle fabs rapporterer en fald på 30 % i uplanlagt nedetid som følge af denne overvågning. Yderligere er en stabil driftstilstand afgørende for forudsigende vedligeholdelse i køleanlæg. De er udstyret med specielle reguleringsventiler, der kan fastholde temperaturen inden for én tiendedel grad Celsius, og de kan ændre PID-reguleringsindstillingerne dynamisk for at håndtere hurtige ændringer i belastningen. De mange beskyttelsesforanstaltninger, der er integreret i køleanlæg, udvider virkelig udstyrets levetid og minimerer den negative indvirkning, som falske negative resultater har på produktionskørsler, som dokumenteret i brancherapporter om udstyrets tilstand.

Halvlederstyrede køleanlæg og indflydelsen af reduceret termisk spænding på hardwarens levetid

Forringelse af probekort reduceres med 37 % (median)

Wafertest resulterer i hurtige og ekstreme temperaturændringer, der fører til termisk cyklisk udmattelse af probekortene og hurtig mekanisk nedbrydning af probemonteringerne. Imidlertid reduceres problemerne forbundet med termisk cyklus og mekanisk nedbrydning af lodninger, udmattelse samt revner i probene og ledningerne, når mekaniske køleanlæg specifikt beregnet til halvledere anvendes sammen med disse. Komponenters levetid angives ofte, og i dit tilfælde stiger den gennemsnitlige levetid for komponenter med 100 %, når driftstemperaturen sænkes med 10 grader Celsius. Hvilket angår probekort, er den operative levetid langt større end udskiftningstiden. Køleanlæg, der opretholder termisk stabilitet inden for et interval på +/- 0,1 grad Celsius, giver en rentabel investering på grund af den øgede operative levetid for probekort. Øget operativ levetid for testudstyr som følge af reduceret termisk cyklisk udmattelse fremgår af felttestdata fra højkapacitetslogikteststeder. Med det rigtige udstyr kan den operative levetid for testudstyr øges med 37 %. Desuden kræves der mindre genkalibrering af udstyret ved reduceret termisk cyklisk udmattelse, hvilket resulterer i forbedret driftsmæssig konsistens af udstyret.

Ofte stillede spørgsmål

Hvilken indvirkning har termisk stabilitet på halvledervurderinger?
I forbindelse med halvledervurderinger er termisk stabilitet afgørende, fordi den muliggør korrekt placering af de elektriske kontakter, opnåelse af stabile måleværdier og undgåelse af forkert kassering af funktionsdygtige chips som defekte.

Hvad er indvirkningen af temperaturpræcision på waferudbyttet?
Forbedret præcision i temperaturreguleringen, især inden for området ±0,1 °C, er en af de vigtigste faktorer for forbedring af udbyttet, da den reducerer bekymringerne om måledrift og falsk negativitet. Forbedringen af udbyttet på 300 mm logikwafer er rapporteret at være op til 2,3 %.

Hvad er formålet med redundans i temperaturregulerede køleanlæg?
Ved køleanlæg gør redundant udformning det muligt at fortsætte driften uafbrudt ved brug af reservedele såsom dobbelte pumper og dobbelte kompressorer. Dette reducerer sandsynligheden for pludselige temperaturændringer forårsaget af systemfejl.