Schweißtreibende Prüfungen

Eines der fertigungsbedingten Probleme, welche Halbleiter-Strukturgrößen unter 90 nm mit sich bringen, ist die hohe Anfälligkeit für Leckströme. Bei derartigen CMOS-Verfahren steigt der Leckstrom steil mit der Temperatur an. Um dennoch Zuverlässigkeit gewährleisten zu können, werden auch Systems-on-Chip einem Burn-in- Test bei Temperaturzyklen mit erhöhter Betriebsspannung und aktiven Testmustern unterzogen.

Eines der fertigungsbedingten Probleme, welche Halbleiter-Strukturgrößen unter 90 nm mit sich bringen, ist die hohe Anfälligkeit für Leckströme. Bei derartigen CMOS-Verfahren steigt der Leckstrom steil mit der Temperatur an. Um dennoch Zuverlässigkeit gewährleisten zu können, werden auch Systems-on-Chip einem Burn-in- Test bei Temperaturzyklen mit erhöhter Betriebsspannung und aktiven Testmustern unterzogen.

So ganz harmlos sind Burn-in-Tests nicht: Da speziell Bauteile mit höherer Eigenleistung bereits im normalen Betrieb relativ hohe Sperrschichttemperaturen erreichen, kann es beim Burn-in leicht zu einer Schädigung durch Überhitzung kommen. Prinzipiell dienen Burn-in-Stresstests an ICs dem Auffinden von Schwachstellen, indem Ausfallmechanismen beschleunigt werden. So lassen sich Ausfälle vorzeitig auslösen, die sich ansonsten erst später im Einsatz zeigen würden. Um eine hohe Effektivität bei möglichst niedrigen Kosten zu erreichen, werden hierbei viele Bauteile gleichzeitig untersucht, wobei Scan-Testmuster bei wechselnden Temperaturen und erhöhter Betriebsspannung angelegt werden. Derartige dynamische Burn-in-Verfahren finden neben rein statischen, die ohne Testpattern nur bei erhöhter Spannung und Temperatur ablaufen, seit vielen Jahren regen Einsatz. Speziell bei komplexen Bauteilen mit hoher Verlustleistung ist die Gefahr groß, dass es bei hohen Umgebungstemperaturen in Verbindung mit einer erhöhten Betriebsspannung zur Überhitzung und damit zur Schädigung des Chips kommt. Die Tatsache, dass bei dünner werdenden Gatteroxidschichten der Bauteil- Leckstrom mit zunehmender Temperatur stark steigt und sich damit die Eigenerwärmung des Bauteils erhöht, verstärkt diesen Effekt noch.

Konventioneller und innovativer Burn-in-Prozess

Bei konventionellen Systemen erfolgt der Burn-in-Test ohne individuelle Temperaturüberwachung, sodass zu hohe Chiptemperaturen und damit verbundene, eventuell nicht erkannte, Schädigungen auftreten können. Bauteile mit neuer Prozesstechnik und erhöhter Leistungsaufnahme erfordern dagegen eine exakte Temperaturüberwachung während des Burn-in-Prozesses.

Werden Stress-Pattern während des Burn-in-Tests durchgeführt, kann sich die Chiptemperatur der Bauteile schnell ändern, wodurch die Bauteile in der Temperaturkammer erheblich unterschiedliche individuelle Temperaturen haben können. Um eine Überhitzung und Schädigung der einzelnen Bauteile zu vermeiden, ist daher eine genaue Temperaturüberwachung und Regelung für jedes Bauteil erforderlich. Bei normalen Burn-in-Testsystemen werden mehrere hundert Bauteile in einer Testkammer durch Aufheizen und Umwälzen von Luft in der Kammer auf die eingestellte Temperatur gebracht. Bauteile mit hoher Eigenleistung können beim aktiven Test eine Verlustleistung von mehreren Watt bis über 200 W entwickeln und sich somit deutlich über die Umgebungstemperatur in der Kammer erwärmen. Da die Chiptemperatur von mehreren Parametern abhängt, können sich bei den einzelnen Bauteilen unterschiedliche Temperaturen einstellen, was keine einheitlichen Testbedingungen für alle Chips gewährleistet. Hierdurch ist eine korrekte Funktion des Burin-in-Prozesses nicht sichergestellt.

Als Antwort auf die beschriebene Problematik hat Japan Engineering, ein auf Burn-in-Systeme spezialisiertes Tochterunternehmen von Advantest, die Systeme der Serie »B7500« entwickelt (siehe Kasten). In den Ofen kommen Boards, auf denen die zu testenden Bauteile kontaktiert sind. Anstelle einer einfachen Temperaturkammer bei konventionellen Systemen (Bild 1) kommt beim neuen Burn-in-Verfahren (Bild 2) ein ausgeklügeltes Temperaturkontrollsystem mit Thermoaufsatz (Bild 3) auf der Oberseite jedes Bauteils zum Einsatz. Dieser enthält einen Kühlungsmechanismus, einen Temperatursensor und ein Heizelement. Über Temperatursensoren, die den Kühlmittelfluss und die integrierten Heizelemente steuern, ist es möglich, die Temperatur der einzelnen Bauteile sehr genau auf dem definierten Wert zu halten. Der Kühlungsmechanismus arbeitet mit einem flüssigen Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf und kann damit die vom Bauteil erzeugte Wärme gezielt abführen. Somit lässt sich die Temperatur jedes einzelnen Bauteils unabhängig von der erzeugten Eigenerwärmung genau regulieren. Mit Hilfe des sehr geringen Wärmewiderstands zwischen Bauteil und Kühlmittel sowie der thermischen Isolierung des Temperatursensors gegen Heizelement und Kühlkreislauf lassen sich eine effiziente Kühlung und eine genaue Temperaturregelung sicherstellen.