Derin Okuma — Wafer Sort ve Final Test

Kırk bin çipin aynı anda yargılandığı yer

Bir wafer probe istasyonunu düşün. Çapı 300 milimetre olan, ayna gibi parlayan bir silisyum disk, vakumla tutulmuş bir tabla üzerinde duruyor. Diskin üzerinde, her biri bir tırnak ucundan küçük, yüzlerce hatta binlerce yonga var. Yukarıdan inen bir iğne kartı, saç telinden ince uçlarıyla tek bir yonganın üzerindeki temas pedlerine dokunuyor. Elektrik veriliyor, cevap okunuyor, iğne kalkıyor, tabla bir adım kayıyor, sıradaki yonga. Dans saniyede onlarca kez tekrarlanıyor.

Fabrikasyon tarafında milyarlarca dolar gömülü. Litografi makineleri, kimyasal banyolar, temiz oda personeli. Ama o disk, test edilmeden satılamaz.

Çünkü üretim süreci kusursuz değil. Toz zerresi, sıcaklık dalgalanması, maskede bir sapma, hepsi bir yongayı öldürebilir. Soru şu. Hangi yonga öldü, hangisi yaşıyor, ve bunu kime, ne zaman, hangi maliyetle soracağız?

İğnelerin diske dokunduğu an

Wafer sort, yonganın kaderinin ilk kez resmen yazıldığı yerdir. İngilizcede "wafer probe" da denir. Disk henüz kesilmemiş, yongalar birbirine bağlı, tek parça halinde. Prob kartı, yonganın üzerindeki mikroskobik metal pedlere fiziksel olarak temas eder. Temas, bir ölçüm değil, bir yargılamadır.

Test edilen şey iki katmanlı. Birincisi "açık kalma" testi. Yonga hiç çalışıyor mu, kısa devre var mı, akım çekiyor mu.

İkincisi "fonksiyonel" test. Yonga doğru cevap veriyor mu, hızı yeterli mi, ısındığında davranışı bozuluyor mu. Prob kartı bu iki katmanı tek geçişte uygular. Geçen yonga "iyi" olarak işaretlenir, geçmeyen "mürekkeple" boyanır. Mürekkep artık dijital. Bir yazılım haritası, hangi yonganın öldüğünü kaydeder.

Buradaki operasyonel özgül şu. Prob kartı bir yongaya dokunduğunda, temas direnci tipik olarak 1 ohm'un altında olmalı. Üstünde olursa ölçüm gürültüye boğulur, sağlam yonga "bozuk" damgası yer. İğne uçlarının ömrü, temas sayısıyla ölçülür. Bir prob kartı, kabaca bir milyon temas sonrası yenilenir. 000 yonga varsa, kart ömrü yaklaşık 25 wafer demektir. Bu, kart maliyetini doğrudan yonga başına maliyete çevirir.

İğne ucu malzemesi de bir mühendislik kararıdır. Tungsten, paladyum alaşımı, berilyum bakır. Her biri farklı sertlik, farklı aşınma profili, farklı temas direnci verir. Tungsten serttir, uzun ömürlüdür, ama oksitlenmeye yatkındır. Berilyum bakır yumuşaktır, ped yüzeyini çizmez, ama çabuk deforme olur. Seçim, test edilen yonganın ped metaline göre yapılır. Yanlış seçim, ya kartı erken yakar ya da pedi bozar.

Bir wafer sort geçişi, tek bir sıcaklıkta bitmez. Modern bir istasyonda tabla, -40 dereceden +150 dereceye kadar süpürülür. Bazı otomotiv çipleri için bu süpürme zorunludur. Çünkü yonga, kışın Sibirya'da da, yazın çölde de çalışmak zorundadır. Her sıcaklık noktası, ayrı bir test geçişi demektir. Süre ve maliyet, sıcaklık sayısıyla doğru orantılı büyür.

Sıcaklık, frekans ve "kötü komşu" problemi

Wafer sort'un en kritik parametresi sıcaklıktır. Çip, gerçek hayatta 80-90 derecede çalışır. Test ise genelde 25 derecede yapılır. Aradaki fark, ölümcül bir yanılsama yaratır. 25 derecede geçen bir yonga, 85 derecede çökebilir.

O yüzden "hot sort" denilen yüksek sıcaklık testi devreye girer. Tabla 85-125 dereceye ısıtılır, test orada tekrarlanır. Maliyet artar, süre uzar, ama sahadaki arıza oranı düşer. Bir kural olarak, sıcaklık testinin yakaladığı hataların oranı, toplam hataların yüzde 10-20'si civarındadır. Oran küçük görünür, ama sahada patlayan her arıza, geri çağırma maliyetiyle ölçülür.

İkinci tuzak komşuluktur. Bir yonga, komşusunun ürettiği ısıdan veya elektriksel girişimden etkilenir. Wafer sort bunu izole edemez, çünkü yongalar hala birbirine bağlı. O yüzden bazı testler "çift geçişli" yapılır. Önce tüm yongalar taranır, sonra şüpheliler komşularıyla birlikte yeniden test edilir. Bu, test süresini kabaca yüzde 15-20 şişirir.

Üçüncü parametre frekanstır. Yonga, hedef frekansının biraz üstünde test edilir. "Guardband" denilen bu pay, tipik olarak yüzde 5-10 arasındadır. Amaç, sahada frekans kayması olduğunda yonganın hala çalışmasını garanti etmektir. Guardband genişledikçe, geçen yonga sayısı düşer. Bu, verim ile güvenilirlik arasındaki doğrudan takastır.

Guardband'ın ekonomisi acımasızdır. Yüzde 5'lik bir pay, bir yongayı "sınırda" sayıp eler. Ama o yonga aslında çalışıyor olabilir. Test mühendisi, elenen yonganın gerçekten ölü mü yoksa sadece "yavaş" mı olduğunu ayırt etmek zorundadır. Ayrım için "binning" devreye girer. Yonga ölmez, farklı bir hız sınıfına atanır.

Aynı silisyum, daha düşük fiyata satılır. Bir üreticinin kar marjı, büyük ölçüde bu sınıflandırmanın ne kadar isabetli olduğuna bağlıdır.

Kesme, paketleme ve ikinci yargı

Wafer sort biter, disk elmas testereyle kesilir. Sağlam yongalar ayrılır, ölüler atılır. Şimdi yonga çıplak, korumasız, kırılgan. Paketleme aşaması devreye girer. Yonga bir plastik veya seramik gövdeye yerleştirilir, altına lehim topları dizilir, üstüne ısı dağıtıcı kapak oturtulur. Artık o şey bir "çip" oldu.

Final test, bu paketlenmiş halin sınavıdır. Wafer sort'tan geçen yonga, paketleme sırasında bozulmuş olabilir. Lehim toplarından biri çatlamış, ısı kapağı yanlış oturmuş, gövde içinde bir tel kopmuş olabilir. Final test bunları yakalar.

Ama daha önemlisi, final test yonganın "son haliyle" performansını ölçer. Çünkü paketleme, elektriksel özellikleri değiştirir. Kapasitans artar, direnç değişir, ısı dağılımı farklılaşır.

Final test'in operasyonel özgülü şudur. Test edilen her çip, gerçek çalışma koşullarında, gerçek hızda, gerçek voltajda koşar. "At-speed" testi denir. Bir CPU çipi, 5 GHz'de milyonlarca işlem yapar, sonuçlar karşılaştırılır. Test, saniyeler sürer. Bir wafer sort geçişi ise yonga başına milisaniyeler. Aradaki bin kat fark, final test'in neden pahalı olduğunu açıklar.

At-speed testin bir sınır koşulu vardır. Test cihazı, çipin kendi hızında koşarken sonucu yakalamak zorundadır. 5 GHz'de bir sinyal, saniyede beş milyar kez salınır. Cihazın ölçüm kanalı bu hıza yetişemezse, test yanlış sonuç verir.

O yüzden yüksek hızlı çipler için "loopback" ve "built-in self-test" (BIST) devreye girer. Çip, kendi kendini test eder, sonucu yavaş bir kanaldan dışarı söyler. Bu, cihazın hız sınırını aşmanın tek yoludur.

Bir de "burn-in" katmanı vardır. Bazı çipler, final testten önce saatlerce yüksek sıcaklık ve yüksek voltaj altında çalıştırılır. Amaç, "erken ölen" yongaları ayıklamaktır. Silisyumda gizli bir kusur, normal koşulda yıllarca saklanır, ama zorlanınca saatler içinde ortaya çıkar. Burn-in, bu kusuru fabrikada patlatır. Maliyeti yüksektir, o yüzden sadece kritik uygulamalarda, otomotiv ve havacılık çiplerinde uygulanır.

Test maliyeti nereye gömülür

Bir çipin toplam maliyetinde testin payı, çip tipine göre yüzde 5 ile yüzde 25 arasında değişir. Basit bir mikrodenetleyicide düşük, yüksek performanslı bir yapay zeka hızlandırıcısında yüksek. Çünkü o hızlandırıcı, binlerce çekirdek içerir, her çekirdek ayrı test edilir, hata toleransı düşüktür.

Test süresi doğrudan para demektir. Bir test cihazı (ATE, "otomatik test ekipmanı") milyonlarca dolar eder. Saat başına maliyeti, kabaca 50-200 dolar arasındadır. Bir yonga 10 saniye test ediliyorsa, cihaz saatte 360 yonga işler. Cihaz maliyeti 100 dolar/saat ise, yonga başına test maliyeti yaklaşık 28 sent. Sayı, yonganın satış fiyatının yanında küçük görünür. Ama milyonlarca yonga üretildiğinde, milyonlarca dolar eder.

Testin gizli maliyeti, cihazın kendisinde değil, "test programı"ndadır. Bir yeni çip için test programı yazmak, aylar sürer. Mühendisler, çipin her fonksiyonunu tek tek kodlar, her sınırı ayrı test eder. Program, çip tasarımıyla birlikte gelişir. Tasarım değişirse, program da değişir. O yüzden bir çipin "test geliştirme" bütçesi, tasarım bütçesinin yüzde 20-30'una ulaşabilir.

Test verisi de bir ürün haline gelir. Her yonganın ölçüm sonucu, bir veritabanına yazılır. Veri, hem kalite kontrolü hem de süreç iyileştirmesi için kullanılır. Bir parti anormal davranıyorsa, veri bunu gösterir. Fabrika, litografi parametresini ayarlar, verim yükselir. Test, sadece bir kapı değil, bir geri bildirim döngüsüdür.

Piyasa Hafızası - 2020'de test kapasitesinin tıkanması

2020 sonbaharında, pandemi talebi çip sektörünü alt üst ettiğinde, darboğaz beklenmedik bir yerde patladı. Herkes wafer fabrikalarına ve litografi makinelerine bakıyordu. Oysa tıkanma, test ve paketleme tarafındaydı. Tayvan merkezli test ve paketleme devi ASE Technology, o dönemde kapasitesinin sınırına dayandı. Otomotiv çipleri için final test kuyrukları aylara uzadı. Otomobil üreticileri, üretim bantlarını durdurmak zorunda kaldı.

Sorun yonga üretimi değildi. Sorun, üretilen yonganın test edilip paketlenememesiydi. Ders şu. Tedarik zinciri, en zayıf halkası kadar güçlüdür. Ve o halka, çoğu zaman en görünmez olanıdır.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tabloya dikkatli bak. Wafer sort, 40.000 yongayı 8 milisaniyede yargılıyor. Final test, 36.800 yongayı 6 saniyede yargılıyor. İkinci katman, birinciden yaklaşık 750 kat yavaş. Ama asıl darbe verimde değil, zamanlamada. Final test süresini 6 saniyeden 5 saniyeye indirirsen, aynı cihaz saatte 720 yonga işler, maliyet yarıya iner. Test mühendislerinin bütün mesaisi, o bir saniyeyi kısmakla geçer.

Duyarlılık twist'i şurada. Wafer sort verimini yüzde 92'den 90'a düşürürsen, final teste giren yonga sayısı 800 azalır. Ama final test verimi sabit kalırsa, satılabilir çip sayısı da 800 azalır. 000 ölçeğinde 800 çip eder. 000 dolar kayıp demektir. Ve bu, sadece bir wafer. 000 wafer işlerse, o küçük yüzde, ayda 16 milyon dolara dönüşür.

Testi okumanın üç katmanı

Birincisi, test bir maliyet değil, bir sigortadır. Wafer sort ve final test, sahada patlayacak arızaları fabrikada yakalar. Bir otomobil çipinin yolda bozulması, üreticiye milyonlarca dolarlık geri çağırmaya mal olur. Test, bu riski önceden satın alır.

İkincisi, test bir darboğazdır. 2020'de görüldüğü gibi, üretim kapasitesi kadar test kapasitesi de kritiktir. Bir fabrika kurmak 3-4 yıl sürer. Bir test hattı kurmak 1-2 yıl. Ama ikisi de aynı anda gerekir. Yatırımcı, sadece wafer fabrikalarına değil, test ve paketleme altyapısına da bakmalıdır.

Üçüncüsü, test bir bilgi kaynağıdır. Hangi yonga neden öldü, hangi parametre sınırda, hangi parti anormal davranıyor. Veri, üretim sürecini iyileştirir. Test edilen her yonga, fabrikaya bir geri bildirimdir. Testi sadece "geçti/kaldı" olarak gören, asıl değeri kaçırır.

Bir çipin kaderi, silisyumda değil, iğnelerin ona dokunduğu o kısa anda yazılır.