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汽车集成电路零缺陷的竞赛

100%的检测,更多的数据和可追溯性将减少困扰汽车客户退货的组装缺陷。

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组装厂正在对汽车集成电路的方法和流程进行微调,优化从检验和计量到数据管理的一切,以防止逃逸并减少代价高昂的退货数量。

如今,在汽车芯片市场上,组装缺陷占半导体客户回报的12%至15%。随着汽车零部件数量从数百攀升至数千,质量目标从10 dppb上升至10 dppb,装配工程师需要找到切实可行的方法,以实现零缺陷部件的交付。这对包括计量、检验和测试在内的各个工艺步骤提出了更高的要求。

而半导体测试工程师在隔离晶圆厂产生的缺陷方面取得了巨大进展在美国,组装工程师们正悄悄地把注意力集中在改进设备数据的检查和处理上,以发现潜在的缺陷。这对汽车电子来说是一件大事。根据宝马在2017年汽车电子委员会可靠性研讨会上的演示,大多数半导体器件在汽车保修期内失效。

该汽车制造商指出,22%的保修成本是由于电子和电气控制单元。宝马表示,在这些故障部件中,77%是半导体器件,23%的部件与有源和无源元件隔离。在这些半导体故障中,48%是由于系统故障,24%是由于测试覆盖率,15%是由于随机故障,6%是由于再次测试而没有第二次失败。失败的帕累托也被分解为41%的最终测试,24%的前端加工,22%的设计和12%的组装。

从历史上看,组装工厂在过程控制和100%检查步骤上的投资有限,部分原因是工艺复杂性较低,部分原因是为了实现利润最大化。虽然最终测试可以检测到开口和短路,但在检测导致可靠性故障的边缘装配缺陷时效果较差。现在,为了实现零缺陷的目标,装配厂正在提高100%的检测能力,并投资于关键装配制造步骤的过程控制。

“在汽车领域,如果不进行100%的检查,你不可能达到这个水平(每ppb有10个缺陷)。力量.“与可靠性相关的缺陷可能无法通过电气测试或寿命测试发现。重点在于费用、可行性和可扩展性。”

图1:100%检验对装配过程的影响。来源:力量

图1:100%检验对装配过程的影响。来源:力量

Sean Langbridge,欧洲销售总监CyberOptics他指出了汽车客户在考虑检验解决方案时的一些担忧。其中包括:

  • 100%的缺陷覆盖率=没有泄漏
  • 极低的错误故障率
  • 简单可操作的过程改进数据
  • 可靠性/正常运行时间
  • 最小工程师开销=编程和调优时间

随着每一项新的制造和组装技术进入汽车行业,面临的挑战是了解需要检测哪些缺陷,以及哪些设备参数可能会影响缺陷。从下游步骤的反馈中学习需要数据,以及连接数据的方法。与晶圆厂不同,传统上这并不是osat的高投资领域。

三星电子营销副总裁David Park表示:“有两项重要的活动可以帮助提高设备的整体质量。PDF的解决方案.“首先,你必须能够收集数据。俗话说,如果你不衡量它,你就不能改善它。当你总是收到军事革命时,如果你没有收集制造数据,你就没有办法找到根本原因。为了利用这些数据,你需要通过后端,即从制造到组装和包装过程的单一设备追溯能力。”

汽车制造商要求整个汽车集成电路和单个晶体管/二极管器件的缺陷ppb限制为10。根据半导体器件类型的不同,组装工艺也不同。本文主要介绍使用线键合和碰撞技术的集成电路。

装配过程和相关缺陷
汽车半导体产品涵盖了广泛的工艺技术、封装技术和器件尺寸。器件可以小到一个功率FET,也可以大到定制SoC中的20亿个门,用于处理来自摄像头和激光雷达的传感器数据。通常情况下,汽车制造商使用成熟的半导体和组装技术,这提供了可预测的质量和可靠性水平的好处。随着汽车计算和通信能力的增强,汽车制造商已经升级到更先进的技术。事实上,他们现在正在使用finFETs在微控制器。

图2:用于汽车的各种包装技术。资料来源:公司

图2:用于汽车的各种包装技术。资料来源:公司

随着汽车制造商转向更先进的工艺节点,汽车制造商的技术也在不断提高从线键合(WB)技术向BGA和FCBGA技术转变。例如,在64nm和40nm, CMOS WB封装占主导地位,但BGA并不罕见。与钢丝键合技术相关的缺陷包括开口、短路、边缘键合、铅上的污垢、模具开裂、模具与衬底的粘附、模具裂纹、外来材料和封装分层。

从28nm到7nm, FCBGA是主要的封装技术,因为它提供了更大的soc所需的引脚密度。这些包引入了新的组装缺陷,这些缺陷可能通过最终测试,但在现场失败。新的缺陷包括白色凸点、凸点裂纹和凸点与衬底连接,所有这些缺陷都具有可靠性敏感性,这使得它们在最终测试时无法检测到,并且在现场失效的风险很高。

随着他们对更新的组装和制造工艺的尝试,汽车制造商们已经有了众所周知的担忧。首先,汽车的寿命很容易达到10到15年,而消费品只有2年,电脑只有4到7年。对长期可靠性问题的理解主要是理论上的。其次,这些工艺尚未经历恶劣的汽车环境,这可能会转化为对边际缺陷的各种长期影响。

模具进入装配过程的一个关键前提是它们是好的模具。然而,组装过程可能会损坏模具,影响质量和可靠性。

了解装配过程可以使人知道何时何地会引入与装配相关的缺陷。从概念上讲,线键合和BGA/FCBGA组装工艺需要对模具进行隔离,将其连接到基板上,将模具粘接到基板上,测试单元,并执行最终检查。

图3:钢丝粘接装配过程。来源:PDF解决方案

图3:钢丝粘接装配过程。来源:PDF解决方案

在每个过程中,都可能出现制造缺陷。为了满足汽车行业对完美无瑕产品的期望,需要在100%的检测能力方面进行投资,并在最终测试中进行更高级的测试。断触点和触点/导线之间的短路很容易进行电测试。边缘接触、模具裂纹和分层(凸起/封装衬底)都代表着潜在的缺陷,这些缺陷将在车辆中失效。边缘触点可以通过电气测试,但由于金属间连接不良,随后的快速热循环和振动将导致连接在较晚的时间点打开。

PCB制造和组装与边缘接触者有类似的问题。在汽车电子单元中,高密度互连(HDI)封装越来越受欢迎。与组装过程一样,也存在逃避电气测试的边缘触点的问题。组装中的pcb也有类似的挑战。

“几位汽车PCB专家最近告诉我们,他们目前处理的质量问题中有很大一部分是由于HDI板通过激光孔的层间连接不良而导致的故障。这种情况正在发生,尽管pcb在装运前已经成功通过了所有电气测试,”Orbotech的产品营销经理Micha Perlman表示心理契约.“HDI涉及激光钻孔和层间连接电镀。在镀铜过程中,任何残留物或污染都会导致层间连接不良。这些缺陷通常在电镀后无法检测到,因此可能会通过PCB的最终电气测试。然而,由于组件组装过程或终端设备运行过程中的某个点的高应力,潜在缺陷为未来的故障引入了高风险。这就是为什么十年前相对罕见的激光通过检测在今天变得更加普遍,并且在汽车电子制造商和其他要求高可靠性和安全性的产品中有很高的需求。”

死基板
从晶圆片上锯下模具是装配过程引入缺陷的第一个机会。模具裂纹是主要缺陷机理。

“隐藏的缺陷可能不会在制造工厂导致设备故障,但在现实世界的使用中,它们会导致长期的可靠性问题。侧壁裂纹和内部裂纹是由锯切过程引起的。上的创新.“使用传统的BF和DF照明光学从晶圆表面不容易检测到这些裂纹。这就需要新的成像方法来检测这些类型的裂缝。在取放过程中,机器将每个模具取下,并从四面拍摄图像,以查看是否可以看到裂纹。如果在取放作业之前就能预防或检测到这些裂缝,就可以大大减少时间和成本。”

图4:侧壁和内侧裂缝。主要来源是模切,即晶圆锯切。来源:Onto Innovation

图4:侧壁和内侧裂缝。主要来源是模切,即晶圆锯切。来源:Onto Innovation

图5:从顶部成像很难看到内部裂缝。来源:Onto Innovation

图5:从顶部成像很难看到内部裂缝。来源:Onto Innovation

Han说:“通过红外图像可以确认模具表面下存在内部裂纹。”“然而,内部裂纹的对比度非常低,因为它在表面之下,这样的缺陷很难被检测到。与红外图像不同的是,相同的内部裂缝对比度超过200 GSV。”

模具连接:钢丝键合和BGA
在线粘接步骤之前,使用环氧树脂将模具粘到封装基板上。虽然线键合技术已经存在了几十年,但仍然存在显著的工艺复杂性。

PDF Solutions的业务开发总监戴夫•亨特利(Dave Huntley)表示:“在线键合过程中,会有很多非常详细的信息。”“例如,一个封装可能有5个模具,每个模具有20到30根电线。对于每一根导线,每个键合步骤都有相关数据(每根导线有2个键合)。每一个键都有一个过程变量列表和一些设备产生的电压电流波形。还有,可能有一个图像。在我们研究的一个过程中,有59个变量。我们估计,我们为一个多芯片包收集了大约3兆字节的原始数据。”

有了这些数据,组装工艺工程师可以应用晶圆厂常用的FDC和SPC分析来改善整体工艺。检验和计量可以告知连接的质量,从而提供反馈,说明哪些工艺设备参数最重要。对于钢丝粘接,在测量系统评估环的高度、宽度、升力、钢丝长度和位置时,检查会捕获缺陷。在装配过程中,实现100%检测的挑战需要能够自动可靠地识别随机和系统性缺陷的高通量系统。

装配设施通常使用光学检测系统。为了检查钢丝键合环高度,需要从多个摄像机角度进行3D成像。

“我们已经为汽车线材粘接产品实施了100%自动化的第三光学(线后粘接)检测(AOI),”该公司线材粘接和BGA产品副总裁Prasad Dhond说安靠.“对于非汽车产品,这种检查可能是手动进行的,样本量较小。100% 3rd optical AOI有助于准确有效地检测线粘接缺陷。”

图6:线键合的三维自动化光学检测。来源:CyberOptics

图6:线键合的三维自动化光学检测。来源:CyberOptics

x射线技术提供了另一种潜在的100%线键合检查方法。x射线技术可以扩展到观察钢丝键合领域的高密度凸点。“我们实际上已经有了一个检测方法的原型,并且正在根据性能要求对其进行验证,”布鲁克的Chen说。“它使用了更多的视角来做到这一点,因为你需要重建能力来看到不同的电线路径。”

CyberOptics的Langbridge指出了以下难以检测的特征:

  • 直径小于80 μ m键合上的三维线键合环轮廓;
  • 底端设备(BTD),这主要需要x射线或计算机x射线(CT),和
  • 与焊点有关的细微缺陷,如焊点润湿性差或冷焊点。

模具凸点和衬底接触点之间的连接不良是装配制造商特别关注的问题,因为这些凸点将通过电气测试,并可能由于冶金连接不牢固而在现场失效。

光学检测可以在粘接之前检测出模具或基板上的凸起问题。但它在检测键合问题上有很大的局限性,这使得x射线技术成为一种可能。

“我们从汽车客户那里听到的最关键的事情是,他们希望检测这些潜在的问题,比如部分湿润,”Chen说。“这是他们最大的恐惧,因为他们可以抓住完全开放的电路。如果接触者的边际率是50%到90%,你就想在病毒流出之前抓住这些病例,而他们现在没有一个很好的方法来做到这一点。此外,通过检查,我们可以提供过程反馈和早期发现偏差。”

展望杂化键
虽然用于密集封装连接的混合键合(又称热压缩键合)尚未出现在汽车IC中,但检测行业可以通过利用为高性能计算IC构建的系统来支持它。x射线可以穿透凸模衬底层。

陈说:“目前已经有x射线解决方案,但在拥有足够分辨率或灵敏度的同时,又足够快地进行100%检查的技术方面,确实存在差距。”“此外,对于x射线工具,一直以来都要小心x射线的剂量,因为它可能会损坏零件。它通常被认为是存储设备的破坏性技术,所以我们也告诉客户,有一种方法可以安全地进行x射线检查,我们可以高通量地检查每一个设备。”

图7:x射线检验属性。来源:力量

图7:x射线检验属性。来源:力量

异常检测提供的不仅仅是通过/失败的决策。

“当使用热压缩时,每个键头都有一个行为指纹/签名,”Chen说。“有一些常见的位移问题或压差问题,我们有工艺规范。当它确实超出规范之外时,我们可以标记出来,在那里它产生了更多的潜在缺陷或真正的硬缺陷。我们不仅可以检测到这些问题,还可以提供一个边缘等级——识别它是一个致命缺陷还是一个潜在缺陷,以至于你不想发布设备。”

最后的测试
最终测试在检测严重缺陷(如开衩和短路)方面做得很好。Toni Dirscherl,电力和模拟解决方案的产品经理欧洲效果显著,指出了专注于与装配相关的属性/缺陷的典型测试。

  • 连续性测试可以确定所有引脚是否正确连接,是否没有短路或开口。
  • 热阻(Rth)测量检查设备内部的热分布,指示正确的连接。
  • 应力电压测试在应力测试前后测量泄漏电流delta,以查看设备是否已损坏。

在运输到测试设施之前,也可以在组装设施中进行打开和关闭。Amkor的Dhond分享道:“我们组装的许多ic都是在另一个设施进行最终测试,如Amkor测试场地、客户测试场地或另一个OSAT。我们已经对汽车线材粘接包进行了内联开衩测试。这有助于立即检测装配问题,而不是在最终测试现场几天或几周后发现问题。有问题的地段可以立即隔离或进一步调查,提供非常快速的反馈循环。”

就像汽车行业的一切一样,降低成本仍然是一个重点。因此,对于复杂微处理器来说,典型的老化并不是首选,因为它不一定会加速封装缺陷。此外,并行测试的成本也在不断降低。

英特尔半导体测试组产品营销总监Mark Kahwati表示:“由于大多数汽车集成电路的利润率较低,高并行度被用于降低晶圆探头和最终测试的测试成本。Teradyne

最终测试可以在一定的温度范围内进行。由于CMOS器件的背景电流较低,一些封装缺陷可以在低温下用引脚泄漏测试更容易检测到。然而,测试预算可能需要工程师找到一种方法来检测这些只有一个温度。

跟踪故障的根本原因
为了减少导致汽车IC退货的组装缺陷,工程师需要确定根本原因。除了知道缺陷产生的位置之外,这还需要理解故障机制。将缺陷连接到各个制造步骤数据中的生成点需要可追溯性。

首先你需要数据。几十年来,装配工程师依靠装配结束时的最终测试和检查作为他们唯一的数据来源。来自组装设备的数据一直滞后。

“组装工具通常没有良好的通信接口。他们只是不善于收集数据和支持分析。但这种情况正在改变,因此现在正在收集更多的数据。特别是从更先进的封装步骤,如模具连接和线键合,工程师现在可以访问时间序列,FDC数据和计量数据,”Huntley说。“我正在主持SEMI高级后端工厂集成(ABFI)工作组,该工作组专注于推动我们在晶圆厂多年来一直在组装中的自动化和数据收集水平。此外,SEMI E142标准最近得到了增强,因此它也可以与单个线相关联,这意味着每根线键接的数据本质上与标识线程相关联。”

标识线程为整个供应链中的单个模具或单元分配名称。名称/身份随着单位横向的不同制造步骤而变化。将制造数据与标识相关联,可以连接不同的数据源进行工程分析。

“为了在这个特定的部分上做更多的工程设计,你绝对需要一个身份线索。否则,你就是在浪费时间。如果你不能准确地将这些点连接起来,比如说,单个包中的单个电线,那么你就不可能确切地知道根本原因是什么,以及你可以做些什么来修复它(或检测它)。”亨特利说道。“但对于十亿分之一的情况,我们将不得不从该领域发生的事情中学习,以及这种十亿分之一的特殊情况的根本原因是什么。”

结论
为了向汽车客户提供10 dppb的质量,他们需要从客户的退货中学习。这就需要在装配设备数据收集和可追溯性方面进行投资。在保修期被激活但通过电气测试的潜在缺陷需要100%检查以筛选这些故障。

然而,所有这些在更多检查和数据收集方面的投资,给传统上成本低廉的组装业务带来了财务压力。组装工厂和他们的汽车客户之间存在建设性的紧张关系,因为他们都对成本敏感。不过,这条通往10 dppb的道路还是会得到资助的。

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