EN
Waarom is thermische stabiliteit essentieel voor testnauwkeurigheid en opbrengst?
Hoe temperatuurveranderingen onder één graad tot valse fouten en meetafwijkingen leiden
Binnen één enkele testcyclus voor een halfgeleiderwafer veroorzaken temperatuurveranderingen van minder dan 1 graad aanzienlijke problemen. Deze veranderingen kunnen leiden tot verschuiving van de proefkaarten. Wanneer proefkaarten verschuiven, kunnen de elektrische contacten uitlijnen, waardoor functioneel goede chips ten onrechte worden afgewezen. Tegelijkertijd zullen ook de meetinstrumenten door veranderingen in thermische weerstand gaan afwijken (‘nose-drift’) en onjuist gaan meten. Bijvoorbeeld: een temperatuurafwijking van 0,5 °C veroorzaakt een drijfverandering van de siliciumbandkloof van ongeveer 0,3 %, wat resulteert in onjuiste metingen bij vrijwel alle parameter-tests die wij uitvoeren. Vanwege al deze thermische inconsistenties nemen de testhitpercentages en de betrouwbaarheid van het product sterk af. Daarom moeten fabrikanten veel geld investeren in uiterst nauwkeurige thermische regelsystemen die een stabiele temperatuur garanderen om ernstige en kostbare fouten te voorkomen.
Empirische gegevens hebben aangetoond dat, wanneer de temperatuurstabiliteit binnen ±0,1 °C wordt gehandhaafd, de gemiddelde opbrengst bij het testen van 300 mm logica-wafers met 2,3% toeneemt.
Industriestudies hebben aangetoond dat er een verband bestaat tussen de temperatuurstabiliteit in de ruimte en het prestatieniveau van de wafers. Vorig jaar wees het tijdschrift Semiconductor Testing Journal erop dat testfaciliteiten voor 300 mm logica-wafers een stijging van 2,3% in opbrengst (yield) registreerden wanneer de temperatuur binnen een bereik van ±0,1 °C werd gestabiliseerd. Waarom treedt dit op? Een nauwer temperatuurbereik betekent een vermindering van vals-negatieve resultaten die kunnen optreden. Er is geschat dat een stijging van slechts 1% in opbrengst (yield) bij grootschalige productieprocessen miljoenen dollars aan productwaarde kan terugwinnen. Bedrijven gebruiken daarom temperatuurgecontroleerde koelunits voor halfgeleiders in het productieproces. Deze koelunits kunnen de temperatuur instellen en handhaven binnen 1 °C en hebben daarmee de grootste impact op kwaliteitscontrole (QC) en de winst-en-verliesrekening (P&L) van het bedrijf.
De voordelen van de eerste innovatie op het gebied van temperatuurgecontroleerde koelunits voor halfgeleiders
+/- 0,1 °C nauwkeurigheid met real-time PID-afstemming en dubbele sensorfeedback
Tijdens tests met halfgeleiders en soortgelijke technologie kunnen vermogensschommelingen onjuiste gegevens opleveren. Om deze reden vereisen tests op basis van vaste stoffen een kritische focus op temperatuurstabiliteit. De meeste testomgevingen maken gebruik van een feedbacksysteem met twee sensoren. Dit systeem gebruikt zowel een sensor aan de inlaat als een sensor aan de uitlaat. Daarnaast maken testomgevingen gebruik van PID-regelaars om aanpassingen in real time uit te voeren. Deze technologie, gecombineerd met eigen testmethoden, lost het probleem van thermische traagheid op waarmee ingenieurs urenlang worstelen. De precisie van een PID-regelaar zorgt ervoor dat de temperatuur stabiel blijft, zelfs bij snelle veranderingen in de werking van de testapparatuur. Een derde van de testmeetfout, gemeten als meetdrijf, was het gevolg van de grotere precisie van het feedbacksysteem met twee sensoren vergeleken met oudere systemen. Naast een hogere testnauwkeurigheid verlengen sensordetectie en systemen voor thermische traagheid de levensduur en functionaliteit van de testapparatuur door het aantal cycli waarbij de compressoren worden ingeschakeld en uitgeschakeld te verminderen. De meeste ingenieurs weten dat de levensduur van een testunit drastisch afneemt door de temperatuurschommelingen die optreden als gevolg van het aan-uit-cyclen van compressoren.
Verbeterde resultaten en een langere levensduur van gereedschappen zijn het volledige doel van deze opstelling.
Om te voorkomen dat teststations elkaar storen door ongewenste warmte, gebruiken we thermische isolatie met meerdere kanalen.
Bij het bulktesten van wafers maken we gebruik van parallel testen. Thermische kruisinterferentie tussen de testbakken kan echter onnauwkeurige testresultaten veroorzaken. Thermische isolatie met meerdere kanalen is ontworpen om dergelijke interferentie te voorkomen, door ervoor te zorgen dat elke testbak beschikt over eigen pompen, warmtewisselaars en stromingsregelaars. Op deze manier wordt de temperatuurvariatie op elk teststation op één gedefinieerde waarde gehandhaafd en wordt kruisinterferentie door temperatuurschommelingen voorkomen.
Isolatiestrategie: Temperatuurvariatie en impact op opbrengst
Enkelvoudige lus > 1,0 °C → verlies van 3 – 5 %
Meerkanaals < 0,05 °C → winst van 1,2 %
Een in 2023 uitgevoerde studie naar thermisch beheer van halfgeleiders toonde aan dat thermisch beheer via geïsoleerde kanalen tijdens meervoudige tests op testfaciliteiten leidde tot 19% minder valse fouten. Bovendien voorkomt het ontwerp van de geïsoleerde thermische beheerskanalen wederzijdse interferentie en vereenvoudigt het onderhoud, aangezien de thermische beheerskanaal individueel kan worden onderhouden zonder de gehele productieprocessen stil te leggen.
Halfgeleider temperatuurgecontroleerde koelinstallaties moeten een hoog ontwerpniveau en robuustheid hebben om éénpuntsfouten te voorkomen die het systeem tijdens een test kunnen doen uitvallen. De industrietrend is het gebruik van dubbele pompen en dubbele compressoren, zodat bij een storing aan de hoofdcomponent de reservecomponent automatisch ingrijpt en die vervelende temperatuurschommelingen voorkomt. Daarnaast wordt voorspellend onderhoud steeds gebruikelijker bij koelinstallaties. Zij kunnen trillingen en de stroming van bedrijfsvloeistoffen analyseren en problemen identificeren voordat deze zich voordoen. Sommige fabrieken melden een daling van 30% in ongeplande stilstandtijd dankzij deze bewaking. Bovendien is een stabiele bedrijfstoestand essentieel voor voorspellend onderhoud bij koelinstallaties. Zij zijn uitgerust met speciale regelkleppen om de temperatuur binnen een tiende graad Celsius te handhaven, en zij kunnen PID-regelaarinstellingen op het moment wijzigen om snel te reageren op belastingsveranderingen. De talloze beveiligingsmaatregelen die in koelinstallaties zijn ingebouwd, verlengen daadwerkelijk de levensduur van de apparatuur en minimaliseren de negatieve impact van valse negatieven op productieruns, zoals gedocumenteerd in brancheverslagen over apparatuurgezondheid.
Halfgeleider-temperatuurgestuurde koelinstallaties en de impact van verminderde thermische belasting op de levensduur van hardware
Afslijtage van probe cards wordt met 37% gemiddeld verminderd
Wafer-testresultaten leiden tot snelle en extreme temperatuurwisselingen, wat thermische cyclische vermoeidheid op de probekaarten en snelle mechanische uitval van de meetopstellingen veroorzaakt. Echter, in combinatie met mechanische koelinstallaties die specifiek voor halfgeleiders worden gebruikt, worden de problemen in verband met thermische cycli en mechanische uitval van soldeerverbindingen, vermoeidheid en scheuren in de probes en draden verminderd. De levensduur van componenten wordt vaak gepubliceerd; in uw geval stijgt de gemiddelde levensduur van componenten met 100% wanneer de bedrijfstemperatuur met 10 graden Celsius daalt. Wat betreft probekaarten is de operationele levensduur aanzienlijk langer dan de vervangingscyclus. Koelinstallaties die thermische stabiliteit binnen een bereik van ±0,1 graad Celsius handhaven, leveren een rendement op investering op dankzij de verlengde operationele levensduur van probekaarten. Verlenging van de operationele levensduur van testapparatuur als gevolg van verminderde thermische cyclische vermoeidheid wordt genoemd in veldtestgegevens van high-volume logica-testlocaties. Met de juiste apparatuur kan de operationele levensduur van testapparatuur met 37% worden verlengd. Bovendien is bij verminderde thermische cyclische vermoeidheid minder hercalibratie van de apparatuur nodig, wat leidt tot verbeterde operationele consistentie van de apparatuur.
Veelgestelde vragen
Welke invloed heeft thermische stabiliteit op halfgeleiderbeoordelingen?
Bij halfgeleiderbeoordelingen is thermische stabiliteit essentieel, omdat deze het juiste positioneren van de elektrische contacten mogelijk maakt, stabiele meetwaarden oplevert en het onnodig verwerpen van goede chips als defect voorkomt.
Wat is de invloed van temperatuurnauwkeurigheid op de uitbehoefactor van wafers?
Een verbeterde nauwkeurigheid bij temperatuurregeling, met name binnen een bereik van ±0,1 °C, is een van de belangrijkste factoren voor het verbeteren van de uitbehoefactor, aangezien dit zorgen wegneemt over meetdrijf en valse negatieve resultaten. De verbetering van de uitbehoefactor bij 300 mm logica-wafers zou tot wel 2,3 % bedragen.
Wat is het doel van redundantie in temperatuurregelende koelinstallaties?
Bij koelmachines zorgt redundantie ervoor dat de werking ononderbroken kan doorgaan via reserve-systemen zoals dubbele pompen en dubbele compressoren. Dit vermindert de kans op plotselinge temperatuurveranderingen als gevolg van systeemstoringen.