In che modo un refrigeratore a controllo di temperatura per semiconduttori migliora l'affidabilità?

Perché la stabilità termica è essenziale per l’accuratezza delle prove e la resa

Come variazioni termiche inferiori a un grado causano falsi scarti e deriva delle misure

In un singolo ciclo di test per una wafer semiconduttore, variazioni termiche inferiori a 1 grado causeranno problemi significativi. Queste variazioni possono provocare spostamenti delle schede di contatto (probe cards). Quando le schede di contatto si spostano, i contatti elettrici possono allinearsi in modo errato, portando a scartare erroneamente chip effettivamente funzionanti (veri positivi). Contestualmente, anche gli strumenti di misura subiranno deriva a causa delle variazioni della resistenza termica e inizieranno a fornire misurazioni errate (nose-drift). Ad esempio, una deriva di 0,5 °C provoca una variazione della banda proibita del silicio pari a circa lo 0,3%, con conseguente errore nella misurazione di quasi tutti i parametri oggetto dei nostri test. A causa di tutte queste instabilità termiche, l’affidabilità dei test e la qualità del prodotto risultano fortemente ridotte. Di conseguenza, i produttori devono investire ingenti somme in sistemi estremamente precisi di controllo termico, al fine di garantire una temperatura stabile ed evitare errori gravi e costosi.

Dati empirici hanno dimostrato che, mantenendo la stabilità della temperatura entro ±0,1 °C, si registra un aumento medio del rendimento del 2,3% nei test di wafer logici da 300 mm.

Studi del settore hanno indicato che esiste una correlazione tra la stabilità della temperatura nell’ambiente e il livello di prestazione del wafer. Lo scorso anno, il Semiconductor Testing Journal ha riferito che gli impianti di test per wafer logici da 300 mm hanno registrato un aumento del 2,3% del rendimento (yield) quando la temperatura è stata stabilizzata entro un intervallo di ±0,1 °C. Perché ciò accade? Intervalli di temperatura più ristretti comportano una riduzione dei risultati falsi negativi che possono verificarsi. Si stima che un incremento del rendimento anche solo dell’1% sui wafer possa recuperare milioni di dollari di prodotto nelle operazioni di produzione su larga scala. Le aziende utilizzano refrigeratori a temperatura controllata per semiconduttori nel processo produttivo proprio per questo motivo. Questi refrigeratori possono impostare e mantenere la temperatura entro 1 °C e generano l’impatto più significativo sul controllo qualità (QC) e sul conto economico (P&L) dell’azienda.

I vantaggi della prima innovazione nel campo dei refrigeratori a temperatura controllata per semiconduttori

+/- 0,1 °C di precisione con regolazione PID in tempo reale e feedback da doppio sensore

Durante i test con semiconduttori e tecnologie simili, le fluttuazioni di potenza possono generare dati errati. Per questo motivo, i test su dispositivi a stato solido richiedono un’attenzione critica alla stabilità termica. La maggior parte degli ambienti di prova utilizza un sistema di retroazione a doppio sensore, che impiega sia un sensore posto all’ingresso sia un sensore posto all’uscita. In aggiunta a ciò, gli ambienti di prova utilizzano regolatori PID per effettuare aggiustamenti in tempo reale. Questa tecnologia, abbinata a metodi di prova proprietari, risolve il problema del ritardo termico, che ingegneri trascorrono ore a correggere. La precisione di un regolatore PID consente di mantenere stabile la temperatura anche in presenza di variazioni rapide nella funzionalità dell’apparecchiatura di prova. Un terzo dell’errore di misurazione nei test, misurato come deriva della misura, era attribuibile alla maggiore precisione del sistema di retroazione a doppio sensore rispetto ai sistemi più datati. Oltre a migliorare l’accuratezza dei test, i sistemi di retroazione sensoriale e di compensazione del ritardo termico aumentano la durata e la funzionalità dell’apparecchiatura di prova riducendo il numero di cicli cui sono sottoposti i compressori. La maggior parte degli ingegneri sa che la vita utile di un’unità di prova si riduce drasticamente a causa degli sbalzi di temperatura causati dal funzionamento intermittente (on-off) dei compressori.

Questo sistema è interamente finalizzato a migliorare i risultati e ad aumentare la durata degli strumenti.

Per evitare che le stazioni di prova interferiscano tra loro a causa di calore indesiderato, utilizziamo l’isolamento termico multicanale.

Quando si eseguono prove su wafer in grandi volumi, utilizziamo il collaudo parallelo. Tuttavia, l’interferenza termica incrociata tra le aree di prova può causare risultati di prova inaccurati. L’isolamento termico multicanale è progettato per evitare tale interferenza garantendo che ogni area di prova disponga di pompe, scambiatori di calore e regolatori di portata dedicati. In questo modo, le variazioni termiche in ciascuna stazione di prova vengono mantenute a un valore definito e viene impedita qualsiasi interferenza termica incrociata.

Strategia di isolamento: impatto della variazione di temperatura sul rendimento

Circuito singolo > 1,0 °C: perdita del 3–5%

Multicanale < 0,05 °C: guadagno dell’1,2%

Uno studio del 2023 focalizzato sulla gestione termica dei semiconduttori ha dimostrato che la gestione termica dei canali di isolamento durante i test multi-sito presso i centri di collaudo ha portato a una riduzione del 19% dei falsi guasti. Inoltre, la progettazione dei canali isolati di gestione termica previene le interferenze incrociate e semplifica la manutenzione, consentendo di intervenire singolarmente sul canale di gestione termica senza dover arrestare l’intero processo produttivo.

I refrigeratori a controllo di temperatura per semiconduttori devono presentare un'elevata robustezza progettuale per evitare punti di guasto singoli che potrebbero causare l’arresto del sistema durante un test. La tendenza del settore prevede l’adozione di doppi pompe e doppi compressori, in modo che, in caso di malfunzionamento del componente principale, entri immediatamente in funzione il sistema di riserva, prevenendo così le fastidiose oscillazioni di temperatura. Inoltre, la manutenzione predittiva sta diventando la norma nei refrigeratori: questi dispositivi sono in grado di analizzare le vibrazioni e il flusso dei fluidi operativi, identificando i problemi prima che si verifichino. Alcune fabbriche riportano una riduzione del 30% dei fermi non pianificati grazie a questo tipo di monitoraggio. Inoltre, uno stato operativo stabile è fondamentale per la manutenzione predittiva nei refrigeratori: essi sono dotati di valvole di controllo speciali in grado di mantenere la temperatura entro un decimo di grado Celsius e possono modificare dinamicamente le impostazioni del controllo PID per garantire variazioni rapide del carico. Le numerose misure di protezione integrate nei refrigeratori contribuiscono effettivamente ad allungare la vita utile delle attrezzature e a ridurre al minimo l’impatto negativo che i falsi negativi hanno sui cicli produttivi, come documentato nelle relazioni industriali sulla salute delle attrezzature.

Raffreddatori a semiconduttore con controllo della temperatura e impatto della riduzione dello stress termico sulla durata dell'hardware

Il degrado delle probe card è ridotto del 37% in media

I test sui wafer comportano rapide e intense variazioni di temperatura che provocano fatica termociclica sulle schede di contatto (probe cards) e un rapido deterioramento meccanico degli insiemi di contatto (probing assemblies). Tuttavia, l’uso congiunto di refrigeratori meccanici specificamente progettati per i semiconduttori riduce i problemi associati al termociclaggio e al deterioramento meccanico dei giunti saldati, nonché alla fatica e alle crepe presenti nelle sonde e nei cavi. La durata operativa dei componenti è spesso indicata dal produttore e, nel vostro caso, la vita media dei componenti aumenta del 100% quando la temperatura di esercizio viene ridotta di 10 gradi Celsius. Per quanto riguarda le schede di contatto, la vita operativa è notevolmente superiore al ciclo di sostituzione. I refrigeratori in grado di mantenere la stabilità termica entro un intervallo di ±0,1 gradi Celsius garantiscono un ritorno dell’investimento grazie all’aumento della vita operativa delle schede di contatto. Aumenti della vita operativa delle attrezzature di test, conseguenti alla riduzione della fatica termociclica, sono documentati nei dati di test sul campo provenienti da siti ad alta produttività dedicati ai test logici. Con l’attrezzatura adeguata, la vita operativa delle attrezzature di test può essere incrementata del 37%. Inoltre, una minore fatica termociclica comporta una riduzione della frequenza delle calibrazioni, migliorando così la coerenza operativa delle attrezzature.

Domande Frequenti

Qual è l'impatto della stabilità termica nelle valutazioni dei semiconduttori?
Nel contesto delle valutazioni dei semiconduttori, la stabilità termica è essenziale perché consente un corretto posizionamento dei contatti elettrici, l’ottenimento di valori di misura stabili ed evita lo scarto ingiustificato di chip funzionanti come difettosi.

Qual è l’impatto della precisione della temperatura sui rendimenti dei wafer?
Un miglioramento della precisione nel controllo della temperatura, in particolare nell’intervallo di ±0,1 °C, rappresenta uno dei fattori più importanti per il miglioramento dei rendimenti, poiché riduce le preoccupazioni legate alla deriva delle misure e ai falsi negativi. Si è riportato un incremento del rendimento sui wafer logici da 300 mm pari fino al 2,3%.

Qual è lo scopo della ridondanza nei gruppi frigoriferi a temperatura controllata?
Nei gruppi frigoriferi, la ridondanza consente il funzionamento continuo e ininterrotto grazie all’impiego di sistemi di riserva, come pompe doppie e compressori doppi. Ciò riduce la probabilità di brusche variazioni di temperatura causate da guasti del sistema.