1. 基本介紹

在半導(dǎo)體制造中，過(guò)程可靠性（Process Reliability）是指通過(guò)測(cè)試特定的結(jié)構(gòu)，來(lái)評(píng)估制造工藝本身是否能保證器件在長(zhǎng)期使用中的穩(wěn)定性。封裝級(jí)可靠性（Package Level Reliability或PLR）是實(shí)現(xiàn)這一評(píng)估的主要手段（另外一種手段是是晶圓級(jí)可靠性 - Wafer Level Reliability或WLR）。PLR通常將測(cè)試結(jié)構(gòu)中的器件（如MOSFET，metal lines）進(jìn)行封裝（如采用雙列直插式陶瓷封裝），然后送入專用的PLR測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的加壓測(cè)試，精確測(cè)量某種物理失效。

在PLR中，TDDB、HCI、BTI和EM是評(píng)估半導(dǎo)體工藝壽命的“四大支柱”。這些測(cè)試不再是看整個(gè)芯片好不好用，而是通過(guò)封裝后的測(cè)試結(jié)構(gòu)，把工藝層層拆解，觀察最底層的物理失效機(jī)制。

2. 傳統(tǒng)電學(xué)失效機(jī)制解析

2.1. TDDB (Time-Dependent Dielectric Breakdown)

經(jīng)時(shí)介質(zhì)擊穿。這是關(guān)于“絕緣層”壽命的考驗(yàn)。

· 物理本質(zhì)： 當(dāng)給柵極（Gate）施加電場(chǎng)時(shí)，氧化層內(nèi)部會(huì)逐漸產(chǎn)生缺陷。當(dāng)缺陷連成一條線時(shí)，絕緣層就會(huì)瞬間變導(dǎo)體，導(dǎo)致器件燒毀。

· PLR 測(cè)試重點(diǎn)： 由于氧化層越來(lái)越薄，擊穿非常敏感。PLR 通過(guò)施加恒定電壓（CVS）或恒定電流（CCS），觀察柵極漏電流（Ig）突變的時(shí)間點(diǎn)。

· 核心指標(biāo)： TBD(Time to Breakdown)。通過(guò) PLR 的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，我們可以建立電壓加速度模型，預(yù)測(cè)在正常工作電壓（如1.1V）下，氧化層能否撐過(guò)10年。

· 物理模型：E-model或者 1/E-model

· 參考標(biāo)準(zhǔn)：JESD92 (針對(duì)柵氧化層完整性的測(cè)試) 。

2.2. HCI (Hot Carrier Injection)

熱載流子注入。這是關(guān)于“高頻開(kāi)關(guān)”損耗的考驗(yàn)。

· 物理本質(zhì)： 載流子（電子或空穴）在強(qiáng)電場(chǎng)下獲得極高能量（變“熱”），沖破勢(shì)壘并“卡”在氧化層里。這會(huì)導(dǎo)致晶體管的閾值電壓 (VTH) 發(fā)生偏移。

· PLR 測(cè)試重點(diǎn)： HCI 主要發(fā)生在器件開(kāi)關(guān)的瞬間。在 PLR 中，我們會(huì)給漏極（Drain）施加高壓，在高溫下測(cè)量柵極飽和電流 IDSAT或 VTH 的退化百分比（比如退化 10% 即判定失效）。

· 優(yōu)勢(shì)： 與 WLR 不同，PLR 能捕捉到更低電壓下的長(zhǎng)期 HCI 退化趨勢(shì)。

· 物理模型：Vds加速模型

· 參考標(biāo)準(zhǔn)：JESD28（晶體管級(jí)別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)HCI評(píng)估方法）和JESD60（專門(mén)針對(duì)關(guān)鍵熱載流子效應(yīng)的測(cè)試過(guò)程）。

2.3. BTI (Bias Temperature Instability)

偏置溫度不穩(wěn)定性。包括常見(jiàn)的 NBTI（針對(duì) PMOS）和 PBTI（針對(duì) NMOS）。

· 物理本質(zhì)： 當(dāng)柵極處于常開(kāi)（偏置）狀態(tài)且溫度較高時(shí)，界面處的 Si-H 鍵斷裂，產(chǎn)生陷阱電荷，導(dǎo)致閾值電壓VTH漂移。

· PLR 測(cè)試重點(diǎn)： 閾值電壓Vth。但是BTI有一個(gè)非常討厭的特性——恢復(fù)效應(yīng) (Recovery Effect)。一旦撤掉應(yīng)力，退化會(huì)迅速恢復(fù)。

· 優(yōu)勢(shì)： 基礎(chǔ) PLR 測(cè)試可以在受控的高溫爐內(nèi)進(jìn)行非常精準(zhǔn)的、帶偏置的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，從而更好地捕捉這種隨溫度變化的緩慢退化。

· 物理模型：Arrhenius模型（溫度相關(guān)）。

· 參考標(biāo)準(zhǔn)：JESD90 (基于物理模型的 BTI 測(cè)量方法)。

下圖展示了這三種主要失效機(jī)制在晶體管結(jié)構(gòu)中發(fā)生的具體位置。

2.4. EM (Electromigration)

電子遷移。這是關(guān)于“金屬連線”物理?yè)p耗的考驗(yàn)。

· 物理本質(zhì)： 高電流密度下，電子像洪水一樣“撞擊”金屬原子，導(dǎo)致原子發(fā)生物理位移，最終讓導(dǎo)線在某些地方變薄甚至斷裂（開(kāi)路），或者在某些地方堆積導(dǎo)致短路。

· PLR 測(cè)試重點(diǎn)： 評(píng)估金屬線（Al 或 Cu）和通孔（Via）的電流承載能力，以及相關(guān)電阻值。

· 優(yōu)勢(shì)：EM 測(cè)試通常需要數(shù)千小時(shí)。WLR 雖然有極高電流的快測(cè)，但那種極端電流產(chǎn)生的熱量（Joule Heating）會(huì)干擾物理模型。PLR 才是獲取高精度 Ea（活化能）的標(biāo)準(zhǔn)手段。

· 物理模型：Black’s Equation

· 參考標(biāo)準(zhǔn)：JESD61、JESD87、JESD202等

3. BTI測(cè)試的痛點(diǎn)：恢復(fù)效應(yīng)與數(shù)據(jù)失真

傳統(tǒng)PLR測(cè)試設(shè)備在執(zhí)行 BTI 測(cè)試時(shí)面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn) ：

· 恢復(fù)效應(yīng) (Recovery Effect)：當(dāng)測(cè)試應(yīng)力暫停時(shí)，器件的損傷會(huì)在幾毫秒內(nèi)部分修復(fù)。

· 壽命高估：測(cè)量速度較慢的傳統(tǒng)PLR設(shè)備無(wú)法捕捉最差情況下的損傷，導(dǎo)致對(duì)器件壽命的高估。

· 安全風(fēng)險(xiǎn)：缺乏通道級(jí)獨(dú)立保護(hù)，單點(diǎn)失效可能波及器件本身或者相鄰器件。

· 工作流斷裂：數(shù)據(jù)往往存在于孤島中，工程師需導(dǎo)出大量數(shù)據(jù)至第三方軟件才能可視化退化曲線 。

4. 聯(lián)訊解決方案：在線測(cè)量 OTF（On-The-Fly）技術(shù)

聯(lián)訊開(kāi)發(fā)的PLR0010 系統(tǒng)采用了先進(jìn)的 OTF（On-The-Fly，在線測(cè)量） 技術(shù)，以消除器件在測(cè)量延遲期間產(chǎn)生的“恢復(fù)效應(yīng)（Recovery Effect）”，：

· 連續(xù)漏極電流（ID）監(jiān)控：與MSM（Measure-Stress-Measure）進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法不同，PLR0010 可以在應(yīng)力階段保持微小的漏極偏置，并每隔90微秒持續(xù)采樣漏極電流（ID）。該方法可以捕獲真實(shí)的退化曲線。

· 快速閾值電壓（Vth）提取：對(duì)于閾值電壓測(cè)量，系統(tǒng)具備微秒級(jí)的脈沖測(cè)試能力，采用基于最大跨導(dǎo)（Gm-max）的高速掃描算法。

· 捕獲快速陷阱：將“非應(yīng)力”時(shí)間（中斷時(shí)間）縮短至約 200μs，確保在“快速陷阱（Fast Traps）”松弛之前將其捕獲。

直觀對(duì)比：OTF 與標(biāo)準(zhǔn) MSM 方法 下面兩圖展示了兩者之間的關(guān)鍵區(qū)別。在標(biāo)準(zhǔn)的“測(cè)量-應(yīng)力-測(cè)量（MSM）”模式中，移除應(yīng)力產(chǎn)生的空檔期會(huì)導(dǎo)致器件恢復(fù)，從而丟失數(shù)據(jù)。而在 OTF 模式下，應(yīng)力是連續(xù)的，能夠捕獲到真實(shí)的“最差情況”退化。OTF技術(shù)確保了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)捕獲。

通過(guò)在不撤除應(yīng)力電壓的情況下連續(xù)監(jiān)控器件退化（例如線性漏極電流），PLR0010 能夠捕獲到傳統(tǒng)“測(cè)量-應(yīng)力-測(cè)量”（MSM）周期經(jīng)常遺漏的“快速陷阱”和真實(shí)的退化數(shù)據(jù)。

5. 聯(lián)訊PLR0010系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵指標(biāo)

PLR0010 系統(tǒng)專為滿足 JEDEC 嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了硬件精度與軟件智能的高度集成。

5.1. 硬件性能與穩(wěn)定性

· 高溫環(huán)境：支持高達(dá)250℃的穩(wěn)定測(cè)試環(huán)境，滿足高度加速壽命測(cè)試要求。

· 通道獨(dú)立保護(hù)：每通道內(nèi)置獨(dú)立過(guò)流保護(hù)邏輯，一旦單個(gè)器件失效，立即實(shí)現(xiàn)物理隔離，確保昂貴原型器件的安全。

· 無(wú)縫流式數(shù)據(jù)直存：突破傳統(tǒng)硬件緩存容量限制，支持測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)上限實(shí)時(shí)落盤(pán)記錄。無(wú)論測(cè)試周期多長(zhǎng)，均可確保原始數(shù)據(jù)的連續(xù)高頻采集，完美還原復(fù)雜退化曲線的每一個(gè)微觀細(xì)節(jié)。

5.2. 軟件集成與數(shù)據(jù)分析

· 一站式可視化：內(nèi)置強(qiáng)大的繪圖引擎，支持直接在軟件內(nèi)生成退化曲線、壽命預(yù)測(cè)圖及趨勢(shì)分析，無(wú)需依賴第三方工具。

· 生產(chǎn)自動(dòng)化：無(wú)縫對(duì)接設(shè)備自動(dòng)化程序（EAP），確保大規(guī)模量產(chǎn)測(cè)試中的數(shù)據(jù)可追溯性。

審核編輯 黃宇