汽車半導體制造要求大不同 晶圓廠隨機缺陷率至為關鍵

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1950年代,汽車制造中所采用的電子產品還不到制造成本的1%。 如今,電子產品成本已經可以多達總成本的35%,并且預計到2030年將增加到50%。 汽車行業電子產品的快速增長主要由以下四個方面驅動: . 系統監測和控制(電子燃油噴射、氣電混合動力等) . 安全系統(防死鎖煞車,安全氣囊等) . 高級駕駛輔助系統(偏離車道警告、停車輔助、盲點監控、自適應巡航控制等) . 行車便利(衛星導航、訊息娛樂等) 

半導體組件是汽車中的電子產品總成的核心,按照汽車制造廠商和型號的不同,現代的汽車可能需要多達8,000個芯片,并且這個數字只會隨著自主駕駛汽車的普及而增加, 額外的電子子系統及其所采用的集成電路將為無人駕駛汽車提供其所需的傳感器、雷達和人工智能。 

汽車和輕型卡車的年產量是8,800多萬輛,每輛車中安裝數千個芯片產品,汽車行業對半導體制造業的影響已經開始顯現。 一個簡單的事實就是汽車里所采用的數千個芯片都不可以失靈。 

汽車半導體零件的可靠性至關重要,任何在車輛行駛過程中出現故障的芯片都可能導致昂貴的保修維修和產品召回,并且可能會損壞汽車制造商的品牌形象,在極端情況下可能會導致人身傷害甚至危及生命。 

如果一輛普通汽車中有5,000個芯片,汽車制造商每天生產2.5萬輛汽車,那么即使是百萬分之一(ppm)的芯片故障率也會導致每天超過125輛汽車因為芯片質量出現可靠性問題。 

由于半導體是汽車制造商故障排列圖中的首要問題,一級的汽車系統供貨商現在要求半導體質量可以達到十億分之一(ppb)的級別,并且目前的趨勢是無論芯片數量多少,越來越多的供貨商開始限定“最多允許的故障數目”。 

目前發現可靠性故障的方法過度依賴于測試和老化試驗,結果是質量目標無法實現并且相去甚遠。 同時,審計標準越來越具有挑戰性,推動晶圓廠在芯片制造的源頭就發現這些可靠性問題,因為這時發現問題并采取糾正措施的成本最為低廉。 要進入這個不斷增長的市場領域,或者簡單地保持市場占有率,集成電路制造商必須積極應對這種對于芯片可靠性要求的變化。 

幸運的是,對于半導體制造商來說,芯片的可靠性與他們所熟知的東西高度相關:隨機缺陷。 

事實上,對于設計良好的制程和產品而言,早期的芯片可靠性問題(外在可靠性)以隨機缺陷為主。 殺手缺陷(影響良率的缺陷)是導致組件在時間t=0(最終測試)失敗的缺陷。 潛在的缺陷(影響芯片可靠性的缺陷)是導致組件在t>0(在老化之后)發生故障的缺陷。 

發現殺手缺陷(良率)與潛在缺陷(可靠性)之間的關系是通過觀察到影響良率的同一缺陷類型也影響可靠性。 這兩者主要根據缺陷的大小以及它們在組件結構上出現的位置來區分。 圖1顯示了導致開路和短路的殺手和潛在缺陷的例子。 


圖1 影響良率的同一缺陷類型也會影響可靠性。 主要根據缺陷的大小以及它們在圖案結構上的位置來區分。 
良率和可靠性缺陷之間的關系并不局限于一些特定的缺陷類型;任何可能導致良率損失的缺陷類型也可能導致可靠性問題。 故障分析表明,事實上大多數可靠性缺陷是制程相關的缺陷,并可溯源到晶圓廠。 由于良率和可靠性缺陷具有相同的根本原因,因此提高良率(通過減少與良率相關的缺陷)將會提高可靠性。 

圖2中的A曲線顯示了典型的良率曲線。 如果我們只考慮芯片良率,那么在某個時候,在這個制程中進一步的投資可能不具備成本效益,因此隨著時間的推移良率趨于平穩。 圖2中的B虛線顯示了制造相同產品的同一工廠的曲線。 但是,如果他們想要為汽車行業供貨,那么他們也必須考慮到可靠性不足的成本。 在這種情況下,需要進一步的投資來進一步降低缺陷密度,這既能提高良率,又能提升汽車供貨商所需的可靠性。 


圖2 不同類型晶圓廠的收益率曲線(收益率相對于時間)。 A曲線適用于非汽車工業的晶圓廠,主要考慮的是晶圓廠的盈利能力。 在某一時刻,收益率已經足夠高,繼續試圖減低缺陷率并不實際。 B虛線也是包括了可靠性的收益率曲線。 對于汽車供應鏈中使用的集成電路產品,必須進行額外的投資,以確保高可靠性,這與收益密切相關。 
由普通級芯片供貨商轉型成為汽車供貨商需要晶圓廠管理層面的模式轉變。 成功的汽車行業半導體制造商早已采取以下策略:降低潛在(可靠性)缺陷的最佳方法是降低晶圓廠的總體隨機缺陷水平。 這意味著要有一個世界一流的減低缺陷的策略,包括:基線良率提升、減低異常發生率、出現異常時能迅速發現并在線修復,以及使用晶粒篩選剔除可疑的晶粒。 

(本文作者為David W. Price博士和Jay Rathert是KLA-Tencor公司的資深總監。 Douglas Sutherland是KLA-Tencor公司的首席科學家。 過去15年來,他們直接與50多家半導體IC制造商合作,他們針對各種特定市場優化整體工藝控制策略,包括汽車可靠性,傳統晶圓廠成本和風險優化,以及針對先進設計規范的最佳上市方法。 ) 

2018年11月17日 14:06
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