Volpiano (Italy)

September 26, 2024

KGD-Tests: Qualitätssicherung in der Halbleiterfertigung

Die Prüfung von „Known Good Die“ (KGD) ist ein kritischer Schritt im Halbleiterfertigungsprozess, insbesondere für Leistungshalbleiter wie Siliziumkarbid (SiC)-Bauelemente. Durch umfassende Tests auf Ebene des einzelnen Dies können Hersteller defekte Komponenten vor dem Packaging identifizieren und eliminieren, was die Gesamtqualität und Zuverlässigkeit ihrer Produkte sicherstellt.

Ein mehrstufiger Ansatz in der Halbleiterfertigung: Wafer-, Die- und Package-Tests

Die Halbleiterfertigung ist ein komplexer Prozess, der sorgfältige Tests in verschiedenen Phasen erfordert, um eine einwandfreie Funktionalität der Bauelemente zu gewährleisten. Die Testphasen umfassen:

Wafer-Test

• Wird früh im Fertigungsprozess durchgeführt, typischerweise nachdem wichtige Schichten auf den Siliziumwafer aufgebracht und strukturiert wurden.
• Verwendet spezialisierte Ausrüstung (Wafer-Prober mit Probe Cards), um einzelne Schaltkreise auf dem Wafer zu testen und grundlegende Funktionalitäten und elektrische Eigenschaften zu bewerten.
• Dient als vorläufiger Screening-Schritt, um Wafer mit signifikanten Defekten vor der weiteren Verarbeitung zu identifizieren und zu entfernen.

Die-Test (KGD)

Fokussiert auf einzelne Dies, nachdem sie durch einen Dicing-Prozess vom Wafer getrennt wurden.

Nutzt spezialisierte Handler und Probing-Module, um die Dies zu bewegen und zu testen.

Spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitern, da Tests ermöglicht werden, die auf Wafer-Ebene nicht durchgeführt werden können.

Package-Test

• Wird durchgeführt, nachdem das Die im finalen Schutzgehäuse mit externen Anschlüssen verkapselt wurde.
• Verifiziert die Funktionalität des gesamten verpackten Bauelements, einschließlich der Interaktion zwischen Die und Verpackungsmaterialien.
• Dieser abschließende Test stellt sicher, dass das vollständige Bauelement alle Leistungsspezifikationen erfüllt, bevor es an Kunden versendet wird.

Durch die Implementierung eines mehrstufigen Testansatzes, der Wafer-, KGD- und Package-Tests einbezieht, können Hersteller ein hohes Maß an Vertrauen in die Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Halbleiterbauelemente erreichen, den Ertrag optimieren und die Fertigungskosten reduzieren. Durch das Screening von Teilen in verschiedenen Phasen – von rohen Siliziumwafern bis zu fertigen Modulen – können defekte Komponenten so früh wie möglich identifiziert und entfernt werden.

Die Bedeutung von KGD-Tests für Leistungshalbleiter

Die KGD-Testphase bietet mehrere wichtige Vorteile für Leistungshalbleiter:

• Frühe Fehlererkennung: Das Identifizieren und Entfernen defekter Dies vor dem Packaging reduziert signifikant Ertragsverluste und nachgelagerte Kosten. Frühe Fehlererkennung minimiert verschwendete Ressourcen: Das Entdecken eines defekten Dies auf dem singulierten Wafer ist weitaus kostengünstiger als das Finden eines Problems in einem vollständig montierten Modul.
• Schnellere Markteinführung: Frühes Identifizieren und Beheben von Problemen verhindert Verzögerungen, die durch die Entdeckung von Fehlern in späten Stadien und Nacharbeiten verursacht werden.
• Erhöhte Zuverlässigkeit: KGD-Tests helfen sicherzustellen, dass nur hochwertige Komponenten im finalen Modul verwendet werden, was zu verbesserter Zuverlässigkeit und Leistung führt.
• Verbesserter Prozess: KGD-Testdaten können verwendet werden, um potenzielle Schwächen im Fertigungsprozess zu identifizieren und die erforderlichen Anpassungen vorzunehmen.

Die Kraft der KGD-Tests enthüllen: Statische, Dynamische und Kurzschlusstests für SiC-Bauelemente

Während KGD-Tests erhebliche Vorteile bieten, stellen sie auch einzigartige Herausforderungen dar. Im Gegensatz zu Si-Bauelementen arbeiten SiC-Bauelemente bei wesentlich höheren Spannungen und Strömen. Dies erfordert spezialisierte Testausrüstung, die in der Lage ist, diese extremen Bedingungen sicher und genau zu handhaben – sowohl auf Wafer-, KGD- als auch Package-Ebene.

Die spezifischen Tests, die in der KGD-Phase durchgeführt werden, um potenzielle Defekte zu identifizieren und zu eliminieren, können grob in drei Gruppen kategorisiert werden:

Statische Tests

Diese Tests messen grundlegende elektrische Parameter des SiC-Bauelements unter stationären Bedingungen. Gängige statische Tests für SiC-Bauelemente umfassen:

• Schwellenspannung (Vth): Misst die minimale Gatespannung, die erforderlich ist, um das Bauelement einzuschalten.
• Einschaltwiderstand (Ron): Charakterisiert den Widerstand des Bauelements, wenn es Strom leitet.
• Leckstrom (Ileak): Bewertet die Menge des Stroms, der durch das Bauelement fließt, wenn es ausgeschaltet ist.
• Durchbruchspannung (Vbr): Bestimmt die maximale Spannung, die das Bauelement aushalten kann, bevor es einen Durchbruch erfährt.

Dynamische Tests

Diese Tests beurteilen das Verhalten des SiC-Bauelements unter dynamischen Betriebsbedingungen, die reale Anwendungsfälle simulieren. Wichtige dynamische Tests für SiC-Bauelemente umfassen:

• Schaltcharakteristiken: Messen die Zeit, die das Bauelement benötigt, um zwischen Ein- und Aus-Zuständen zu wechseln. Dies beinhaltet Einschaltzeit, Ausschaltzeit und Gate-Ladecharakteristiken.
• Übertragungsfunktion: Analysiert die Beziehung zwischen Gatespannung und Drainstrom und liefert Einblicke in das Verhalten des Bauelements während des Schaltens.
• Kapazitäts-Spannungs-Messung (C-V): Bewertet die Kapazität des Bauelements bei unterschiedlichen Gatespannungen und hilft, potenzielle Defekte in der Gate-Oxidschicht zu identifizieren.

Kurzschlusstest

• Dieser entscheidende Test bewertet die Fähigkeit des SiC-Bauelements, einen plötzlichen und signifikanten Anstieg des Stromflusses zu widerstehen.
• Er simuliert eine potenzielle Fehlersituation, bei der das Bauelement einen Kurzschluss zwischen seinen Anschlüssen erfährt.
• Der Kurzschlusstest misst die Zeit, die das Bauelement zum Ausfall benötigt (Kurzschlussfestigkeitszeit) und hilft, verborgene Defekte zu identifizieren, die während des normalen Betriebs zu katastrophalen Ausfällen führen könnten.

Durch die Implementierung einer umfassenden KGD-Teststrategie, die diese statischen, dynamischen und Kurzschlusstests einbezieht, können Hersteller defekte SiC-Bauelemente effektiv aussortieren. Dies stellt nicht nur die Zuverlässigkeit und Leistung des Endprodukts sicher, sondern reduziert auch die Produktionskosten durch Minimierung von Ertragsverlusten.

Herausforderungen beim KGD-Kurzschlusstest

Im Gegensatz zu verpackten Modulen mit integrierten Kühlkörpern sind KGD-Bauelemente klein, dünn und verfügen nicht über dedizierte Wärmeabfuhrmechanismen. Während eines Kurzschlusstests erzeugt der hohe Stromfluss erhebliche Wärme, die leicht die thermische Kapazität des Bauelements überschreiten und zu katastrophalem Versagen führen kann. Aufgrund der begrenzten Wärmeabfuhr und der fragilen Natur von SiC könnte ein schwerwiegendes Kurzschlussevent auf KGD-Ebene in einer Explosion resultieren. Dies stellt ein Sicherheitsrisiko dar und kann die Testausrüstung beschädigen. Die hohen Temperaturen und das Potenzial für Explosionen während eines KGD-Kurzschlusstests können dazu führen, dass sich die Metallisierung des Bauelements auf die Sondier-Pogo-Pins formt. Dies erschwert die Entfernung des Bauelements für weitere Tests und birgt Kontaminationsrisiken für die Testausrüstung, was die Genauigkeit zukünftiger Tests beeinträchtigt.

Wesentliche Merkmale für sichere und effektive KGD-Kurzschlusstestausrüstung

Die Durchführung eines sicheren und effektiven Kurzschlusstests an KGD-SiC-Bauelementen erfordert spezialisierte Testausrüstung, die mit mehreren kritischen Merkmalen ausgestattet ist. Ein Schlüsselelement für die Sicherheit ist die Fähigkeit, den Stromfluss innerhalb eines sehr kurzen Zeitrahmens (Zehntel von Nanosekunden) im Falle eines Überstromereignisses zu unterbrechen. Diese schnelle Abschaltung hilft, übermäßige Wärmeerzeugung und potenzielle Explosionen während eines KGD-Kurzschlusstests zu verhindern. Fortschrittliche elektronische Komponenten und Hochgeschaltungsdesigns sind entscheidend, um diese ultraschnelle Stromabschaltfähigkeit zu erreichen.

Die Minimierung von Streuinduktivität innerhalb des Testpfades ist ebenfalls wesentlich für genaue und kontrollierte Kurzschlusstests. Streuinduktivität kann die Anstiegs- und Abfallzeiten des Stromimpulses verlangsamen, die Testergebnisse beeinflussen und möglicherweise die Stromabschaltung im Fehlerfall verzögern. Das Design der Testausrüstung sollte Komponenten mit niedriger Induktivität verwenden und Kabellängen minimieren, um die gesamte Streuinduktivität im Stromkreis zu reduzieren.

Zusätzlich zum Überstromschutz sollte der Tester auch Schutzmaßnahmen gegen Überspannungssituationen integrieren. Dies hilft, Geräteschäden und potenzielle Lichtbogensituationen während des Tests zu verhindern. Spannungsüberwachungsschaltungen und schnell reagierende Relais können eingesetzt werden, um Überspannungsbedingungen zu erkennen und die Stromversorgung bei Bedarf zu trennen.

Schließlich muss das Risiko der Lichtbogensuppression sorgfältig bewertet werden. Während eines Kurzschlusstests kann der plötzliche und signifikante Anstieg des Stromflusses zur Ionisierung der umgebenden Gasmoleküle führen. Dies schafft einen leitfähigen Pfad zwischen den Geräteklemmen, was zu einem elektrischen Lichtbogen führt. Lichtbögen erzeugen intensive Hitze und Licht, die das getestete KGD-Bauelement beschädigen und möglicherweise die Testausrüstung beeinträchtigen können. Die Konditionierung der Testkammer mit Druckluft ist eine entscheidende Strategie zur Unterdrückung elektrischer Lichtbögen während des KGD-Kurzschlusstests von SiC-Bauelementen, gemäß dem Paschen’schen Gesetz, das die Beziehung zwischen der Durchbruchspannung (Spannung, die zum Initiieren eines Lichtbogens erforderlich ist) eines Gases, dem Gasdruck und der Lückenlänge zwischen den beiden Leitern beschreibt. Durch Erhöhen des Gasdrucks in der Testkammer mittels Druckluft erhöhen wir effektiv die Durchbruchspannung: Dies erschwert das Initiieren eines Lichtbogens zwischen den Geräteklemmen, selbst unter den hohen Strombedingungen eines Kurzschlusstests, und schützt so das Bauelement und die Testausrüstung. Die Verwendung von trockener Luft in der Testkammer minimiert das Vorhandensein von Wasserdampf und trägt weiter zur Lichtbogensuppression bei.

Durch die Integration dieser wesentlichen Merkmale kann die KGD-Kurzschlusstestausrüstung ein Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Effektivität und der Fähigkeit erreichen, potenzielle Schwächen in SiC-Bauelementen zu identifizieren.

Stromschutzmodul für KGD-Tests: Schutz der Kontaktsonden

Während des KGD-Tests, insbesondere bei Kurzschlusstests, kann es zu hohem Stromfluss kommen. Dies kann potenziell die empfindlichen Kontaktsonden beschädigen, die zum Testen des SiC-Bauelements verwendet werden. Die Testausrüstung von SPEA integriert ein Stromschutzmodul, das als Schutz fungiert, indem es den Strom begrenzt, der durch die Sonden fließen kann. Dies verhindert übermäßige Wärmeerzeugung und potenzielles Schmelzen oder Verbiegen der Sonden, was ihre Langlebigkeit und Funktionalität sicherstellt.

Die Effektivität des Stromschutzmoduls wird weiter verbessert durch die Fähigkeit, basierend auf der spezifischen Stromtragfähigkeit der verwendeten Kontaktsonden dimensioniert zu werden. Dies stellt sicher, dass das Stromlimit angemessen eingestellt ist, um die Sonden zu schützen, ohne den Test selbst zu beeinträchtigen.

In KGD-Testaufbauten werden Kontaktsonden (Pogo-Pins oder Nadeln) oft gruppiert, um verschiedene Teile des SiC-Bauelements zu testen. Das Stromschutzmodul kann einen zusätzlichen Vorteil bieten, indem es die Balance der Ströme zwischen diesen verschiedenen Gruppen ermöglicht. Dieses Merkmal kann entscheidend sein, um eine gleichmäßige Verteilung des Stromflusses über das Bauelement während des Tests sicherzustellen. Ungleichmäßige Stromverteilung könnte zu ungenauen Testergebnissen oder sogar zur Beschädigung spezifischer Bereiche des Bauelements führen.

Schlussfolgerungen

Die Prüfung von „Known Good Die“ (KGD) ist ein Grundpfeiler der Qualitätskontrolle für SiC-Bauelemente und gewährleistet zuverlässige, leistungsstarke Produkte, während durch frühzeitige Fehlererkennung Ertragsverluste minimiert werden. Eine umfassende Teststrategie sollte statische, dynamische und Kurzschlusstests umfassen, um kritische Parameter unter realen Bedingungen zu verifizieren.

Im Gegensatz zu verpackten Modulen stellen KGD-Bauelemente einzigartige Herausforderungen bei dynamischen und Kurzschlusstests dar. Ihre begrenzte Wärmeabfuhr kann zu Sicherheitsrisiken, Explosionen und schweren Geräteschäden führen. Um diese Risiken zu mindern, sollte die Testausrüstung ultraschnelle Strombegrenzung, ein Design mit niedriger Streuinduktivität und Mechanismen zur Unterdrückung elektrischer Lichtbögen enthalten.

Durch die Implementierung dieser Merkmale können Hersteller die Effizienz und Effektivität ihrer KGD-Teststrategien für SiC-Bauelemente verbessern.

FAQs