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晶片品質、測試成本難兼顧? 解題關鍵在於設計

2020 SEMI測試產業委員會首場會後報導

隨著半導體製程與封裝技術不斷進步,半導體業者能夠於狹小的空間內整合更多電路功能,但也致使晶片良率的問題變得更為複雜。為確保出貨的晶片皆能正常運作,或將不良率降低於客戶可接受的範圍內,晶片業者在投入更多資源於測試上的同時,也造成公司獲利空間被壓縮。為解決這道難題,業界正發展新的方法論及配套工具,以便在產品於設計階段時,就能確保其生產製造的良率。

 

聯發科集成電路測試研究者研究實驗室主席陳海力表示,良率與成本一直處於拔河狀態。在傳統上,晶片供應商於測試階段投入愈多,測試項目的涵蓋範圍就愈鉅細靡遺,雖這能提升晶片良率,但測試成本也會隨之增加,導致晶片供應商必須犧牲自己的利潤空間提高報價。因此,晶片供應商必須設法在品質及獲利間取得平衡,以追求可獲利的品質(Profitable Quality)為目標。

 

陳海力以追求「可獲利的品質」為題分享兩個案例,其一為某家自行開發中央處理器(CPU)與繪圖處理器(GPU)的手機品牌業者,另一家則為車用半導體供應商。

 

手機品牌業者擁有自行設計中央處理器(CPU)、繪圖處理器(GPU)的能力,軟、硬體整合的最佳化十分到位,且和系統單晶片(SoC)及系統級封裝(SiP)供應商都有很緊密的夥伴關係。其所使用的晶片經過100%系統級測試(SLT),然而,因測試時間拉長,導致手機產品價格調漲,這類產品對許多消費者來說,價格變得太昂貴。

 

另外以車用半導體供應商為例,車用元件的電路設計通常較先進的系統單晶片(SoC)單純,加上使用較成熟的製程來生產,使其良率在先天上就占有優勢。但也因車規元件的品質要求十分嚴格,對瑕疵採取零容忍態度。元件供應商也因測試時間長,報價也隨之提升。另外,車規元件的測試成本除了發生在交貨前,若在元件出貨給客戶後出現故障情形,供應商應需承擔責任對其進行故障分析。由此可見,良率為時間累積所產生之結果,即便在設計上相對簡單,供應商還是得從中學習,以便提升產品之良率,達到零瑕疵的終極目標。

 

如今,前段製程愈來愈先進,加上封裝結構隨著系統級封裝(SiP)技術進步而日趨複雜,晶片供應商正面臨一個全新的挑戰:在測試環節投入的資源愈多,不一定能換來良率提升的結果。

 

先進製程讓電晶體密度大增,晶片局部區域的功率密度也隨之增加,讓散熱、熱應力、電壓、訊號一致性等問題變得更加困難,同時也放大了製程變異,使設計簽核(Sign-off)更加困難,進而影響良率。此外,現在的電子系統也比以往更錯綜複雜,在客戶端進行應用開發設計時,偶爾會出現系統運作異常,但個別元件卻還能正常運作的情況,系統層級的問題顯而易見,如果設計人員持續採取傳統分而治之的方法論,將很難應對這類型挑戰。

 

事實上,不管是先進製程、先進封裝或系統層級的問題,面對未來的挑戰,設計人員都應該要用系統共同設計、建模與模擬的方法來應對。這也是IEEE異質整合發展路線圖(HIR)一直在倡導的概念。如今在晶片設計、封裝設計以及系統開發各自有自己的工作流程,彼此互不相通,建議未來在面對多變的技術挑戰下,必須打破前、後端的藩籬,才能解決根本問題。

 

回到測試相關議題,要追求「可獲利的品質」,其實關鍵在於設計,而不是測試。若於設計端就已先把可能影響良率的議題都考慮進去,良率自然就會提升。舉例來說,現在很流行「預防性維護」的觀念,要如何在晶片層級實踐呢?首先,就是要在設計端把錯誤偵測機制設計的盡善盡美,並加入偵測異常現象。

 

而今,雖然晶片已內建了錯誤偵測功能,但因偵測頻率太低,導致故障結果產生延遲。為此,史丹佛大學的Mitra教授發展出能快速故障偵測(Quick Error Detection, QED)機制,以便迅速地捕捉邏輯與電氣特性相關的問題。工程師更能進一步透過硬體輔助,搭配此機制鎖定其中錯誤。

 

整體來說,要追求「可獲利的品質」,設計端肩負的責任將比以往更大。藉由在系統中內建自我監測以及適應性調整的能力,可望在不增加測試成本的情況下,降低故障、瑕疵的風險,這將會是未來晶片設計的一個重要發展趨勢。

 

SEMI持續扮演凝聚共識,偕同測試委員會推動產業發展,暢通跨界交流與溝通橋梁,同時藉由展會、技術會議等服務,為產業共同面臨之技術挑戰找到對策,打造為完整產業生態平台,使台灣半導體測試產業持續獨步全球。

 

今年,全球最具權威半導體測試會議ITC-Asia(International Test Conference in Asia)再度移師台灣,將與SEMICON Taiwan國際半導體展於9月23日~9月25日同期展出。全球IC設計與測試專家將齊聚一堂,針對5G與AI等新興應用崛起帶來更複雜的製程與系統整合需求,共同探討與分析最新的測試技術趨勢。展期中更規劃相關主題專區、國際論壇及聯誼小聚…等活動,期待串聯半導體前、後端供應鏈,創造更多潛在商機與交流機會。

 

 

 

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