Comment un refroidisseur à contrôle de température pour semi-conducteurs améliore-t-il la fiabilité ?

Pourquoi la stabilité thermique est-elle essentielle à la précision des essais et au rendement

Comment des variations thermiques inférieures à un degré provoquent-elles des faux échecs et une dérive des mesures

Au cours d’un seul cycle de test d’une plaquette de semi-conducteur, des variations thermiques inférieures à 1 degré provoquent des problèmes importants. Ces variations peuvent entraîner un décalage des cartes de sondage. Lorsque les cartes de sondage se décalent, les contacts électriques peuvent se désaligner, ce qui conduit à éliminer à tort des puces véritablement fonctionnelles. Parallèlement, les instruments de mesure dériveront également en raison des changements de résistance thermique et commenceront à effectuer des mesures erronées (dérive de pointe). Par exemple, une dérive de 0,5 °C entraîne une variation d’environ 0,3 % de la bande interdite du silicium, ce qui se traduit par des mesures erronées de presque tous les paramètres que nous testons. En raison de toutes ces incohérences thermiques, le taux de réussite des tests ainsi que la fiabilité du produit sont fortement réduits. Les fabricants doivent donc investir d’importantes sommes dans des systèmes de régulation thermique extrêmement précis afin d’assurer une température stable et d’éviter des erreurs graves et coûteuses.

Des données empiriques ont montré que, lorsque la stabilité de la température est maintenue dans une fourchette de ±0,1 °C, le rendement moyen lors des tests de wafers logiques de 300 mm augmente de 2,3 %.

Des études sectorielles ont montré qu’il existe une corrélation entre la stabilité de la température dans la salle et le niveau de performance de la plaquette. L’année dernière, le Semiconductor Testing Journal indiquait que les installations d’essai de plaquettes logiques de 300 mm avaient enregistré une augmentation de 2,3 % du rendement lorsque la température était stabilisée dans une fourchette de ±0,1 °C. Pourquoi cela se produit-il ? Des fourchettes de température plus serrées signifient une réduction des résultats faux négatifs pouvant survenir. Il a été estimé qu’une augmentation du rendement de seulement 1 % des plaquettes permettrait de récupérer des millions de dollars de produits dans des opérations de fabrication à grande échelle. C’est pour cette raison que les entreprises utilisent des groupes frigorifiques à température contrôlée pour les semi-conducteurs au cours du processus de fabrication. Ces groupes frigorifiques peuvent régler et maintenir la température avec une précision de 1 °C et produisent l’impact le plus significatif sur le contrôle qualité (CQ) ainsi que sur le compte de résultat (P&L) de l’entreprise.

Les avantages de la première innovation en matière de groupe frigorifique à température contrôlée pour semi-conducteurs

+/- 0,1 °C de précision avec réglage PID en temps réel et rétroaction double capteur

Pendant les essais avec des semi-conducteurs et des technologies similaires, les fluctuations de puissance peuvent produire des données erronées. Pour cette raison, les essais sur composants à l’état solide exigent une attention critique portée à la stabilité thermique. La plupart des environnements d’essai utilisent un système de rétroaction à double capteur. Ce système utilise à la fois un capteur placé à l’entrée et un capteur placé à la sortie. En outre, les environnements d’essai emploient des régulateurs PID afin d’effectuer des ajustements en temps réel. Cette technologie, couplée à des méthodes d’essai propriétaires, résout le problème de décalage thermique que les ingénieurs passent des heures à corriger. La précision d’un régulateur PID permet de maintenir des températures stables, même en cas de changements rapides de la fonctionnalité de l’équipement d’essai. Un tiers de l’erreur de mesure lors des essais, mesurée sous forme de dérive de mesure, était attribuable à la précision du système de rétroaction à double capteur comparé aux anciens systèmes. Outre l’amélioration de la précision des essais, les systèmes de rétroaction par capteur et de compensation du décalage thermique augmentent la durée de vie et la fiabilité de l’équipement d’essai en réduisant le nombre de cycles auxquels leurs compresseurs sont soumis. La plupart des ingénieurs savent que la durée de vie d’une unité d’essai est fortement réduite par les pics de température résultant du fonctionnement cyclique (marche-arrêt) des compresseurs.

C’est l’amélioration des résultats et la plus grande durabilité des outils qui constituent l’objectif principal de cette configuration.

Pour éviter que les postes de test n’interfèrent les uns avec les autres en raison de chaleur indésirable, nous utilisons une isolation thermique multicanal.

Lors des tests de wafers en grand volume, nous recourons au test parallèle. Toutefois, les interférences thermiques croisées entre les baies de test peuvent entraîner des résultats de test inexacts. L’isolation thermique multicanal est conçue pour éviter de telles interférences en garantissant que chaque baie de test dispose de ses propres pompes, échangeurs thermiques et régulateurs de débit. Ainsi, les variations thermiques à chaque poste de test sont maintenues à une valeur définie et les interférences thermiques croisées sont empêchées.

Stratégie d’isolation : variation de température et incidence sur le rendement

Boucle unique > 1,0 °C : perte de 3 à 5 %

Multicanal < 0,05 °C : gain de 1,2 %

Une étude portant sur la gestion thermique des semi-conducteurs, menée en 2023, a montré que la gestion thermique par canal d’isolation lors des tests multi-sites dans les centres de test permettait de réduire de 19 % le nombre de faux échecs. En outre, la conception des canaux isolés de gestion thermique empêche les interférences croisées et simplifie la maintenance, car chaque canal de gestion thermique peut être entretenu individuellement sans interrompre l’ensemble du processus de production.

Les groupes frigorifiques à contrôle de température par semi-conducteurs doivent présenter une robustesse élevée au niveau de la conception afin d’éviter les points de défaillance uniques susceptibles de provoquer l’arrêt du système en plein milieu d’un essai. La tendance du secteur consiste à intégrer des pompes doubles et des compresseurs doubles, de sorte que, si un composant principal tombe en panne, le dispositif de secours entre immédiatement en action et évite ainsi ces variations de température problématiques. Par ailleurs, la maintenance prédictive devient la norme pour les groupes frigorifiques : ils analysent les vibrations et le débit des fluides opérationnels afin d’identifier les anomalies avant qu’elles ne surviennent. Certains FAB signalent ainsi une réduction de 30 % des arrêts imprévus grâce à cette surveillance. En outre, un état de fonctionnement stable est essentiel à la maintenance prédictive des groupes frigorifiques. Ces derniers sont équipés de vannes de régulation spéciales permettant de maintenir la température avec une précision d’un dixième de degré Celsius, et ils peuvent modifier dynamiquement les paramètres de régulation PID afin de répondre rapidement aux variations de charge. Les nombreuses mesures de protection intégrées aux groupes frigorifiques contribuent effectivement à prolonger la durée de vie des équipements et à minimiser l’impact négatif des faux négatifs sur les cycles de production, comme cela est documenté dans les rapports sectoriels consacrés à la santé des équipements.

Chillers à contrôle de température pour semi-conducteurs et incidence de la réduction des contraintes thermiques sur la durée de vie du matériel

La dégradation des cartes de sondage est réduite de 37 % en médiane

Les essais de tranches entraînent des changements rapides et extrêmes de température, provoquant une fatigue cyclique thermique sur les cartes de sondage et une défaillance mécanique rapide des ensembles de sondage. Toutefois, lorsqu’elles sont utilisées conjointement avec des refroidisseurs mécaniques spécifiquement conçus pour les semi-conducteurs, les problèmes liés au cyclage thermique ainsi qu’à la défaillance mécanique des joints de soudure, à la fatigue et aux fissures affectant les sondes et les câbles sont réduits. La durée de vie des composants est souvent publiée ; dans votre cas, la durée de vie moyenne des composants augmente de 100 % lorsque la température de fonctionnement diminue de 10 degrés Celsius. En ce qui concerne les cartes de sondage, la durée de vie opérationnelle est nettement supérieure au cycle de remplacement. Les refroidisseurs assurant une stabilité thermique dans une fourchette de ± 0,1 degré Celsius permettent un retour sur investissement grâce à l’allongement de la durée de vie opérationnelle des cartes de sondage. Des données issues d’essais sur le terrain menés dans des sites de test logique à haut volume font état d’une augmentation de la durée de vie opérationnelle des équipements de test résultant d’une réduction de la fatigue cyclique thermique. Grâce à l’équipement adéquat, la durée de vie opérationnelle des équipements de test peut être accrue de 37 %. Par ailleurs, la réduction de la fatigue cyclique thermique diminue la fréquence des recalibrages requis, ce qui améliore la cohérence opérationnelle des équipements.

FAQ

Quel est l'impact de la stabilité thermique dans les évaluations des semi-conducteurs ?
En ce qui concerne les évaluations des semi-conducteurs, la stabilité thermique est essentielle, car elle permet un positionnement correct des contacts électriques, l’obtention de valeurs de mesure stables et l’évitement du rejet injustifié de puces fonctionnelles comme étant défectueuses.

Quel est l'impact de la précision de la température sur les rendements des plaquettes (wafers) ?
Une amélioration de la précision du contrôle de la température, notamment dans une fourchette de ±0,1 °C, constitue l’un des facteurs les plus importants pour l’amélioration des rendements, car elle atténue les risques de dérive des mesures et de résultats négatifs erronés. L’amélioration du rendement observée sur les plaquettes logiques de 300 mm a été signalée à hauteur de 2,3 %.

Quelle est la finalité de la redondance dans les groupes frigorifiques à régulation de température ?
Dans les groupes frigorifiques, la redondance permet de maintenir le fonctionnement sans interruption grâce à l’utilisation de systèmes de secours tels que des pompes doubles et des compresseurs doubles. Cela réduit la probabilité de variations soudaines de température causées par des pannes du système.