借助PXI SMU，开发高度并行的晶圆级可靠性系统

图1.模块化PXI平台为测试应用提供了可扩展的高密度解决方案。

设备可靠性通常通过设备故障率随时间的变化来衡量，产品在刚生产制造完以及超出使用寿命之后，故障率最高。

图表左侧显示了早期的故障率，这些故障往往是由于制造过程中的缺陷导致的。我们可以在生产期间筛选出这些类型的故障，从而尽可能避免将有缺陷的产品交付给客户。但是，生产时进行的功能测试并不能识别设备过早出现磨损的原因，也无法帮助客户了解产品的有效生命周期。而可靠性测试则可以识别这些类型的故障机制，并预估产品的有效生命周期。

因此，可靠性测试旨在识别故障机制，并预估产品的有效生命周期。

可靠性测试包括让设备处在产品规范的极端条件下（通常是极端电压和温度下），从而加速设备磨损，并针对已知故障机制建立有效生命周期的模型。这些测试可在晶圆或封装的零件上进行。在制造过程初期，晶圆级可靠性(WLR)不仅可以提供更多数据，而且可以避免切割和封装IC相关的成本和可能的损坏。

WLR是一种参数测试，旨在帮助工程师了解设备有效生命周期和长期可靠性的相关信息。通常，这些测试不会在正在开发的实体IC上进行，而是在一组测试架构或专用裸片上进行，这些裸片内置于晶圆上，专门用来采集参数数据。这些测试结构由基本晶圆结构（如晶体管、电容和电阻）或基本电路（如环形振荡器）组成，有助于您进一步了解制造过程。大多数WLR测试需要施加一个条件，比如电压或温度，并测量设备的响应，从而监测设备是否有任何性能退化的迹象。采用的常见故障机制包括偏压温度不稳定性或负偏压温度不稳定性（BTI或NBTI）、热载流子引起的退化(HCI)、经时介电层击穿(TDDB)和电迁移(EM)。

传统WLR系统在测量功能和所采用的架构上不尽相同。专用WLR系统可能需要使用高频交流或脉冲激励；而大部分的CMOS设备则使用源测量单元(SMU)等直流仪器进行测试，这为采集参数数据提供了必要的应力和测量能力。WLR系统有两种主要构建方法，一种是使用传统台式仪器搭建机架堆叠式系统，另一种是购买专用的完整系统。

机架堆叠式系统

过去，SMU是一种昂贵的高精度直流仪器，通常会限制标准测试机架中的可用通道数。由于存在这些限制，SMU通常与低泄漏开关矩阵结合使用，将SMU的信号路由至数十个测试点，同时将与继电器相关的噪声、泄漏电流和热电势降到最低水平。这种方法适用于对少量测试结构进行测试，以生成具有统计学意义的可靠性数据的情况。此外，开关是扩展台式仪器通道的一种实用方法，过去每扩展一个通道就要花费5,000至10,000美元，因而在一个完整的19英寸测试机架中，通道数限制为20或40个。然而，由于市场对继电器性能的要求越来越高，开关子系统通常是WLR系统中一个“重头戏”。

一站式系统

另一种方法是购买专用的一站式系统，其中预装了电烘箱、测试机架、仪器和软件等所有组件。这些系统能够将测试需求与设备功能相匹配，从而节省开发和集成时间，但成本非常高。而且这些系统通常具有固定的通道数、固定的硬件产品规范和软件，并由供应商提供服务。系统供应商可能出售单独的晶圆级系统和组装好的可靠性系统，也可能针对两种应用出售同一个系统，而不考虑测试需求的差异。 

传统WLR系统所面临的挑战

购买专用系统或搭建由台式仪器组成的堆叠式系统这两种传统的构建WLR方法已经流行了数十年。然而，许多工程师发现这些架构无法根据不断变化的数据和成本需求很好地进行扩展。

一站式系统无法根据设备需求的变化灵活地修改测试软件或硬件，即便能够修改，其代价也较高。

机架堆叠式系统受限于传统台式SMU的低通道密度。 而可靠性测试又往往需要固定的激励时间，因此，要提高数据速度，也就是在同样（或更少）的时间内可以采集到的数据量，最好的方法就是提高并行度。传统台式SMU的通道密度有限，导致很难搭建占用空间小的高通道数系统，因此工程师通常不得不采用开关拓扑结构来将SMU多路复用至多个引脚。但是，这种开关拓扑结构很快就成为瓶颈，因为引脚是逐一进行测试的，并非并行测试，无法实现提高数据速度的预期目标。

由于存在这些挑战，许多公司正着手构建基于模块化仪器的并行测试系统。

在过去十年里，随着PXI等模块化平台的出现，测试仪器市场发生了巨大的变化。由于模块化平台具备广泛的I/O功能、紧凑的外形及灵活的软件，已经越来越普遍地应用于构建自动化测试系统。

采用模块化方法可大幅减少WLR系统的占用空间，同时不影响测量质量。而且开放式的软件架构能够根据需求的变化定义系统功能、修改测试和添加硬件，包括集成全新的多核处理器、借助运行状况与监测工具实现更长的系统正常运行时间以及添加I/O。

高密度源测量单元

PXI SMU可作为WLR系统的基础，将数百个SMU通道添加到系统中，同时维持较低的每通道占用空间与成本。NI SMU专为构建自动化测试系统而设计，可让您使用模块化架构来优化整个系统的通道数和产品规范。借助NI SMU的高通道密度，无需在SMU和晶圆之间放置开关。相反，您可以将每个测试点直接连接到高精度设备。该“每引脚SMU”架构避免了开关对信号完整性、测试时间和测试程序灵活性的不利影响，有助于实现高级应力测量算法。  

虽然每引脚SMU架构并非第一次用于WLR系统，但是NI SMU提供的通道数明显多于市面已有的解决方案。 基于PXI SMU的WLR系统具有以下特点：

1. 高密度：一个19英寸4U PXI机箱中最多可以容纳68个SMU通道，一个自动化测试机架上可以安装多个机箱，因此每个系统的独立SMU通道可达数百个。
2. 高精确度测量：测量灵敏度范围为10 fA至10 pA，系统的测量质量不会受到影响。
3. 高速序列引擎：您可以将大型硬件定时顺序传输至系统的SMU，并同步所有通道。这可实现超高的执行速率及确定性电源输入和采样。
4. 内置数字化仪：采样率大于600 kS/s，无需借助外部示波器即可捕捉瞬态设备的恢复行为。

了解用户选择NI SMU的原因

超长正常运行时间，易于维护

保证系统的正常运行时间对在线和离线可靠性系统均十分重要。如果在线系统出现故障，那么晶圆生产可能会停止。离线可靠性测试的执行时间通常需要数月或数年，为产品的预期生命周期提供了关键数据。基于这些需求，可靠性测试系统需要维持在线状态并在整个实验过程中持续采集数据，因为有故障的测试系统会导致实验失败。

PXI平台为开发需要长时间运行的重要应用提供了众多优势。例如，可以使用配备冗余、可热插拔风扇和电源的机箱来搭建系统。如果一个组件发生故障，系统会继续运行，且无需关闭系统和中断实验即可更换该组件。另外，您可以远程监测系统的状态，如风扇转速、温度、功耗和其他可预测故障的关键参数。

了解PXI如何提高系统的可靠性、可用性、可服务性及可管理性

使用全新商用处理器

并行测试系统不会因为处理能力不足或通信延迟而陷入瓶颈。使用PXI构建并行WLR系统具有一个优势，即能够将控制器与全新的多核英特尔处理器结合使用。另外，机箱背板可实现处理器和模块之间的低延迟通信，以及基于数字触发的模块间通信。对于并行WLR系统，这意味着您可以将具体的序列执行转移到每个SMU上，使控制器能够专注于进行数据采集与分析。

使用多核处理器增强测试系统

传统的可靠性系统已经流行了数十年；然而，这些系统提供和分析大量可靠性数据的能力正在下降。为了满足这些需求，许多公司开始转向PXI等模块化平台来构建高度并行的WLR系统，因为这些系统具有较长的正常运行时间，并集成了全新商用处理器。公司利用这些系统的软件定义架构，能够牢牢掌控其知识产权并根据需求变化对系统进行扩展。这一方法满足了他们以更低成本获取更多可靠性数据的需求，从而能够很好地应对未来不断变化的测试需求。         

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