【通用功能型芯片置放载体在老炼试验与最终测试的应用】芯片载体

　　摘要:本文主要介绍了如何通过设计芯片置放载体,达成把单一功能的老炼(Burn-In, BI)与最终测试(Final Test, FT)板扩充成为通用功能型的试验板。由于产品的不同,芯片封装的形式及其接脚数目也不同。然而通过此称为 “芯片置放载体” 的设计大大提升了既有BI与FT测试板的使用,也使得BI与FT试验板将不再局限于本身所能提供的单一封装形式。这个芯片置放载体的设计中心思想是把原本需要不同封装形式的芯片,通过设计“信道转换板”(Channel Scramble Board, CSB)使得相同的芯片置放载体能适用于所有的芯片,如此即可达成把单一功能的BI与FT试验板扩充成为通用功能型。由实际的应用中可以证实这样的设计具有可执行性而且也可以扩大应用的领域。
　　关键词:老炼;最终测试;芯片置放载体;封装;信道转换板
　　
　　A Generalized Die Carrier for Stress and Final Tests
　　
　　Wei-Ting Kary Chien, Venson Chang
　　(SMIC, Shanghai, 201203, China)
　　
　　Abstract: In this paper, we introduce a solution to expand dedicated burn-in (BI) and final test (FT) boards to multi-purpose ones by a test carrier. Due to the differences on pin counts & package types of various products, we introduce a “test carrier” to enhance the applicability of the existing BI & FT boards. By doing so, the uses of BI & FT boards are not limited by the original package type. The key of our proposed approach is the use of a channel scramble board (CSB), which realizes the possibility to use the same board for samples with various packages types and makes the original single-purpose boards (for both BI & FT) to multi-purpose ones. From actual applications, we prove the feasibility of our design & its applications can be further expanded.
　　Keywords: Burn-in; Test-Carrier; Packaging;Channel-Scramble-Board
　　
　　1引言
　　
　　老炼(Burn-in, BI)试验一直是在半导体领域中被应用作为筛选属于早期失效(Early Failure)产品的一种方式;而且BI试验板供货商也在这一领域中开发许多已臻成熟的产品并且被广泛地使用着。以目前来说,针对不同封装形式的芯片需要相对应的BI试验板。半导体的产品依据设计功能的不同芯片的接脚数目及封装的形式也大为不同。因此对于半导体代工厂(Foundry)而言,若欲提供完整的BI试验就必须准备各种不同的BI试验板。最终测试(Final Test, FT)也面临同样的情况。然而经由我们的研究发现:即使是不同种类的产品,其接脚的功能只有四种不同类型,亦即: 地址信道(Address),数据信道(I/O),时钟控制信道(CLK),以及电源信道(Power)。因此只要有一个符合所有芯片需求的通用功能型芯片置放载体再搭配不同的转换板,就可以达成把单一功能的BI或FT试验板扩充成为通用功能型的目的,如此一来,便大大增加了试验板的使用范围。对于这一个作为不同封装形式的芯片和通用功能型芯片置放载体之间功能搭配的设计模块,我们称它为“信道转换板”(Channel Scramble Board, CSB),一个创新的设计理念! 另外藉此一设计所衍生出的功能是: 即使是同一种芯片,进行BI试验时的封装形式和进行功能测试的封装形式可以不同。也就是说,通用功能型BI试验板的设计将不会影响原本进行功能测试时对工具的利用。让所有现有的器具可被更有效率地利用,扩大了应用范围以达到满足更多需求的目的。
　　
　　2芯片置放载体设计理念介绍
　　
　　 从封装的角度来说,针对不同封装形式的产品其所使用的导线架 (Lead Frame)也可能会有所不同。举例来说,TSOP-I 48L 和TSOP-II 54L的产品不论从封装形式或导线架的设计上就有极大的差异。在这种情况下,如何能让这两种不同的产品在同一种BI试验板上进行试验呢?那么首先我们必须先定义一种针对这两种芯片都可以进行打线或封装的承载装置,我们称之为芯片置放载体。这个芯片置放载体具有下列几种特性。首先,它必须具有通用性。因为进行BI或FT试验时所使用的试验板会依照所定义出的芯片置放载体来选择合适的插座(Socket)并加以设计生产。其次,芯片置放载体还必须具有信道接脚的完整性。它的设计必须尽可能地考虑到不同产品在地址信道、数据信道、时钟控制信道与电源信道等方面的要求。最后,芯片置放载体还必须和CSB具有良好的接触性,如此才能减少信号的衰减。芯片置放载体的概念设计如图1所示。在图1当中,对于不同的信道种类,我们必须分别分析需要的信道数目是多少。举例来说,针对数据信道来说,某些产品是16个而有个别产品的要求则是32个。这时,我们就必须定义出32个数据信道来包括所有的产品。同样的道理,某些产品的地址信道是和存储大小有关,有些产品就可以共用信道; 同样对于时钟控制信道及电源信道也要考虑最大的信道需求数目。
　　
　　 在这个TSOP-I 48L 和TSOP-II 54L的两种不同产品例子当中,我们先分析这两种不同封装形式的产品对四种信道的要求分别为多少,然后取其最大的数目,并依据最后要求的接脚数目设计芯片置放载体。根据最后的分析,满足这两种不同产品的芯片置放载体信道数目为60个。具体信道数目如表1所示。
　　
　　 决定好芯片置放载体后便可以挑选合适的插座将之放置在设计好的BI或FT试验板上。如此一来,具有通用功能的试验板就完成了。只不过,通用功能试验板的使用还必须搭配CSB才能使用。这样的好处是执行功能测试装置的封装形式不必和试验板的封装形式相同。基本上,原有的测试装置就可以使用,如此也增加了实际应用的弹性。
　　
　　3信道转换板 (CSB)
　　
　　 信道转换板的主要功能就是作为芯片和芯片置放载体之间连通的桥梁,更确切地说是使得芯片能够通过信道转换板、芯片置放载体、插座以及BI/ FT试验板和BI/ FT系统作信号沟通以达成试验目的。对于一般存储性产品而言,其信号信道可以区分为前述的四种不同类型。CSB的设计理念就是在符合芯片置放载体接脚定义的前提下使得不同产品的四种不同类型芯片信号通过打线(Wire Bonding)和芯片置放载体作正确地连接。信道转换板的设计理念如图2所示。
　　
　　 整体来说CSB具有下列几种特性。首先因为它有两个面:焊接面以及组件面。这就意味着焊接面的接脚定义必须和芯片置放载体的接脚定义一致。一致的概念是指CSB的地址信道必须连接芯片置放载体的地址信道(Address-to Address),但不必是一一对应(Address-n-to Address-n)的方式。因为即使地址信道必须一一对应,后续仍然可以通过BI或FT系统编程(Programming)的方式来达到地址信道一一对应的关系要求。不过就此而言,这使得CSB在设计上有了很大的弹性。CSB的第二个特性就是它焊接面上的接触垫片的大小以及接触垫片之间的距离(Pitch)必须和CSB上的接触垫片一致。如此一来便可以和芯片置放载体上同样的接触垫片作稳定良好的接触来确保信号的良好性。CSB的第三个特性就是在组件面上设计有放置芯片的区域以及和芯片间作打线连接的垫片。芯片和CSB的连接在封装打线时就可以完成。
　　
　　4整体工艺流程
　　
　　 到目前为止所有功能板的设计,都是为了实现将单一功能的试验板应用到不同的芯片所作的准备,以下将详细介绍整体的工艺流程如图3所示。
　　
　　 步骤1:
　　 如章节1所述:针对需要作BI或FT试验的芯片作接脚的分析以定义出不同类型接脚信号的数目及配置,然后设计制造出芯片置放载体。根据芯片的特性设计制造出信道转换板并选择合适的插座以用于后续试验板的制作。
　　 步骤2:
　　 把要做试验的芯片通过银胶粘附在CSB上的芯片置放区域,并将已经放置芯片的CSB安置在芯片置放载体上。由于接触垫片的大小以及接触垫片之间的距离已经和CSB上的接触垫片作过一致性定义(Alignment),所以CSB和芯片置放载体之间可以很容易、正确无误地连接。
　　 步骤3:
　　 依照信号脚位的要求进行芯片上的信号垫片和信道转换板上垫片的打线连接。而且为了避免后续的工艺步骤会损伤已经完成的线路连接,也可以在上面进行胶囊密封或加盖保护的工艺。基本上在此步骤就已经完成了待测试样本的制作了。
　　 步骤4:
　　 把完成封装的芯片载体(样本)按照平时处理BI或FT试验时的待测样本置放在试验板上进行试验。
　　
　　5总结
　　
　　 经由以上对“通用功能型试验板”施行步骤的完整陈述,证明它确实可以达到将相同的试验板应用在不同的芯片上,达到善用现有试验板的目的。相较于以往必需花费数万美元采购新的BI板,并历时数个月设计制造与验收。我们这样的设计做到了以几千美元的投资,并且在一个月的时间内就达成了合乎客户要求的功能,无论从金钱和时间的考虑上都具有很大的优势。
　　 因此,从应用层面来说,它至少还有下列的好处:
　　 1)因为所采用的芯片置放载体是通用功能型的,所以只需要支付一次性的费用如开模具费即可大量生产来供给不同产品使用,节省了以往针对不同产品需要个别设计制作BI板所需要花费的大量时间,这对处理紧急的事项有很大的帮助。
　　 2)它的操作程序很简单:首先确认样品的种类以及脚位定义,然后便可通过设定CSB达到我们的目的。除此之外,由于基本上整个的程序是和一般的封装流程相结合,所以处理起来可以很顺畅并且不需要花费额外的时间。
　　 3)因为我们保留了执行功能测试装置的封装形式不必和老炼试验板的封装形式相同的弹性,基本上,原有的测试装置就可以使用,如此也增加了实际应用的弹性。
　　 4)除此之外,我们可以通过此设计达到整合及善用不同装置及设备的目的。
　　 5)类似的设计也可以应用到静电放电测试(ESD)、栓锁测试(Latch-Up)与非挥发产品(Non-Volatile Memory, NVM)的一系列测试(如cycling与read stress)以及早获得测试结果。
　　 总而言之,本文介绍的创新的设计理念可被广泛地应用在善用及改进现行BI以及FT试验板的使用上。
　　
　　参考文献
　　[1]Way Kuo, Wei-Ting Kary Chien, Taeho Kim, Reliability, Yield, and Stress Burn-In -- A Unified Approach for Microelectronics Systems Manufacturing and Software Development, Kluwar Science, Boston, USA, 1998; ISBN; 0-7923-8107-6。
　　
　　作者简介
　　简维廷,美国德州大学城德州农工大学博士,现任中芯国际品质与可靠性中心副总经理,目前工作涉及半导体品质工程、统计过程控制、产品及工艺可靠性测试、封装、芯片级可靠性测试,以及统计模式和培训。拥有超过100篇学术文章及超过50项各国专利。曾担任 IEEE Transactions on Reliability副编辑,是斐陶斐荣誉学会终身会员和IEEE高级会员。`