IC 產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性測試
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| 時間： 2019/3/13 15:45:33 |
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（IC Quality & Reliability Test）
質(zhì)量（Quality）和可靠性（Reliability）在一定程度上可以說是IC 產(chǎn)品的生命，好的品質(zhì)，長久的耐力往往就是一顆優(yōu)秀IC產(chǎn)品的競爭力所在。在做產(chǎn)品驗證時我們往往會遇到三個問題，驗證什么，如何去驗證，哪里去驗證，這就是what, how , where 的問題了。解決了這三個問題，質(zhì)量和可靠性就有了保證，制造商才可以大量地將產(chǎn)品推向市場，客戶才可以放心地使用產(chǎn)品?，F(xiàn)將目前較為流行的測試方法加以簡單歸類和闡述，力求達到拋磚引玉的作用。 質(zhì)量（Quality） 就是產(chǎn)品性能的測量，它回答了一個產(chǎn)品是否合乎規(guī)格（SPEC）的要求，是否符合各項性能指標的問題；可靠性（Reliability）則是對產(chǎn)品耐久力的測量，它回答了一個產(chǎn)品生命周期有多長，簡單說，它能用多久的問題。所以說質(zhì)量（Quality）解決的是現(xiàn)階段的問題，可靠性（Reliability）解決的是一段時間以后的問題。知道了兩者的區(qū)別，我們發(fā)現(xiàn)，Quality 的問題解決方法往往比較直接，設計和制造單位在產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，通過簡單的測試，就可以知道產(chǎn)品的性能是否達到SPEC 的要求，這種測試在IC的設計和制造單位就可以進行。相對而言，Reliability 的問題似乎就變的十分棘手，這個產(chǎn)品能用多久，who knows? 誰會能保證今天產(chǎn)品能用，明天就一定能用？為了解決這個問題，人們制定了各種各樣的標準，如 JESD22-A108-A ， EIAJED- 4701-D101 注：JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）電子設備工程聯(lián)合委員會,，著名國際電子行業(yè)標準化組織之一。 EIAJED：日本電子工業(yè)協(xié)會，著名國際電子行業(yè)標準化組織之一。 等等，這些標準林林總總，方方面面，都是建立在長久以來IC設計，制造和使用的經(jīng)驗的基礎上，規(guī)定了IC測試的條件，如溫度，濕度，電壓，偏壓，測試方法等，獲得標準的測試結(jié)果。這些標準的制定使得IC測試變得不再盲目，變得有章可循，有法可依，從而很好的解決的what，how 的問題。而Where 的問題，由于Reliability 的測試需要專業(yè)的設備，專業(yè)的器材和較長的時間，這就需要專業(yè)的測試單位。這種單位提供專業(yè)的測試機臺，并且根據(jù)國際標準進行測試，提供給客戶完備的測試報告，并且力求準確的回答Reliability 的問題。 在簡單的介紹一些目前較為流行的Reliability的測試方法之前，我們先來認識一下IC產(chǎn)品的生命周期。典型的IC產(chǎn)品的生命周期可以用一條浴缸曲線（Bathtub Curve）來表示。
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Region (I) 被稱為早夭期（Infancy period） 這個階段產(chǎn)品的 failure rate 快速下降，造成失效的原因在于IC設計和生產(chǎn)過程中的缺陷； Region (II) 被稱為使用期（Useful life period） 在這個階段產(chǎn)品的failure rate保持穩(wěn)定，失效的原因往往是隨機的，比如溫度變化等等； Region (III) 被稱為磨耗期（Wear-Out period） 在這個階段failure rate 會快速升高，失效的原因就是產(chǎn)品的長期使用所造成的老化等。 認識了典型IC產(chǎn)品的生命周期，我們就可以看到，Reliability的問題就是要力圖將處于早夭期failure的產(chǎn)品去除并估算其良率，預計產(chǎn)品的使用期，并且找到failure的原因，尤其是在IC生產(chǎn)，封裝，存儲等方面出現(xiàn)的問題所造成的失效原因。 下面就是一些IC 產(chǎn)品可靠性等級測試項目（IC Product Level reliability testitems ） 一、使用壽命測試項目（Life test items）：EFR, OLT (HTOL), LTOL ①EFR:早期失效等級測試（ Early fail Rate Test ） 目的: 評估工藝的穩(wěn)定性，加速缺陷失效率，去除由于天生原因失效的產(chǎn)品。 測試條件: 在特定時間內(nèi)動態(tài)提升溫度和電壓對產(chǎn)品進行測試 失效機制：材料或工藝的缺陷，包括諸如氧化層缺陷，金屬刻鍍，離子玷污等由于生產(chǎn)造成的失效。 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準： JESD22-A108-A EIAJED- 4701-D101 ②HTOL/ LTOL：高/低溫操作生命期試驗（High/ Low Temperature Operating Life ） 目的: 評估器件在超熱和超電壓情況下一段時間的耐久力 測試條件: 125℃，1.1VCC, 動態(tài)測試 失效機制：電子遷移，氧化層破裂，相互擴散，不穩(wěn)定性，離子玷污等 參考標準： 125℃條件下1000 小時測試通過IC 可以保證持續(xù)使用4 年，2000 小時測試持續(xù)使用8年；150℃ 1000小時測試通過保證使用8年，2000小時保證使用28年。 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 MIT-STD-883E Method 1005.8 JESD22-A108-A EIAJED- 4701-D101 二、環(huán)境測試項目（Environmental test items） PRE-CON, THB, HAST, PCT, TCT, TST, HTST, Solderability Test，Solder Heat Test ①PRE-CON:預處理測試（ Precondition Test ） 目的: 模擬IC在使用之前在一定濕度，溫度條件下存儲的耐久力，也就是IC從生產(chǎn)到使用之間存儲的可靠性。 測試流程（Test Flow）: Step 1:超聲掃描儀 SAM (Scanning Acoustic Microscopy) Step 2: 高低溫循環(huán)（Temperature cycling ） -40℃(or lower) ~ 60℃(or higher) for 5 cycles to simulate shipping conditions Step 3:烘烤（ Baking ） At minimum 125℃ for 24 hours to remove all moisture from the package Step 4: 浸泡（Soaking ） Using one of following soak conditions -Level 1: 85℃ / 85%RH for 168 hrs （儲運時間多久都沒關系） -Level 2: 85℃ / 60%RH for 168 hrs （儲運時間一年左右） -Level 3: 30℃ / 60%RH for 192 hrs （儲運時間一周左右） Step5: Reflow （回流焊） 240℃ (- 5℃) / 225℃ (-5℃) for 3 times (Pb-Sn) 245℃ (- 5℃) / 250℃ (-5℃) for 3 times (Lead-free) * choose according the package size Step6：超聲掃描儀 SAM (Scanning Acoustic Microscopy)
紅色和黃色區(qū)域顯示BGA 在回流工藝中由于濕度原因而過度膨脹所導致的分層/裂紋。
失效機制: 封裝破裂，分層 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 JESD22-A113-D EIAJED- 4701-B101 評估結(jié)果：八種耐潮濕分級和車間壽命(floor life) 請參閱 J-STD-020。 · 1 級 - 小于或等于30°C/85% RH 無限車間壽命 · 2 級 - 小于或等于30°C/60% RH 一年車間壽命 · 2a 級 - 小于或等于30°C/60% RH 四周車間壽命 · 3 級 - 小于或等于30°C/60% RH 168小時車間壽命 · 4 級 - 小于或等于30°C/60% RH 72小時車間壽命 · 5 級 - 小于或等于30°C/60% RH 48小時車間壽命 · 5a 級 - 小于或等于30°C/60% RH 24小時車間壽命 · 6 級 - 小于或等于30°C/60% RH 72小時車間壽命 (對于6級，元件使用之前必須經(jīng)過烘焙，并且必須在潮濕敏感注意標貼上所規(guī)定的時間限定內(nèi)回流。) 提示：濕度總是困擾在電子系統(tǒng)背后的一個難題。不管是在空氣流通的熱帶區(qū)域中，還是在潮濕的區(qū)域中運輸，潮濕都是顯著增加電子工業(yè)開支的原因。由于潮濕敏感性元件使用的增加，諸如薄的密間距元件(fine-pitch device)和球柵陣列(BGA, ball grid array)，使得對這個失效機制的關注也增加了?；诖嗽?，電子制造商們必須為預防潛在災難支付高昂的開支。吸收到內(nèi)部的潮氣是半導體封裝最大的問題。當其固定到PCB 板上時，回流焊快速加熱將在內(nèi)部形成壓力。這種高速膨脹，取決于不同封裝結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）速率不同，可能產(chǎn)生封裝所不能承受的壓力。當元件暴露在回流焊接期間升高的溫度環(huán)境下，陷于塑料的表面貼裝元件(SMD, surface mount device)內(nèi)部的潮濕會產(chǎn)生足夠的蒸汽壓力損傷或毀壞元件。常見的失效模式包括塑料從芯片或引腳框上的內(nèi)部分離(脫層)、金線焊接損傷、芯片損傷、和不會延伸到元件表面的內(nèi)部裂紋等。在一些極端的情況中，裂紋會延伸到元件的表面；最嚴重的情況就是元件鼓脹和爆裂(叫做“爆米花”效益)。盡管現(xiàn)在，進行回流焊操作時，在180℃ ~200℃時少量的濕度是可以接受的。然而，在230℃ ~260℃的范圍中的無鉛工藝里，任何濕度的存在都能夠形成足夠?qū)е缕茐姆庋b的小爆炸（爆米花狀）或材料分層。必須進行明智的封裝材料選擇、仔細控制的組裝環(huán)境和在運輸中采用密封包裝及放置干燥劑等措施。實際上國外經(jīng)常使用裝備有射頻標簽的濕度跟蹤系統(tǒng)、局部控制單元和專用軟件來顯示封裝、測試流水線、運輸/操作及組裝操作中的濕度控制。 ②THB: 加速式溫濕度及偏壓測試（Temperature Humidity Bias Test ） 目的: 評估IC產(chǎn)品在高溫，高濕，偏壓條件下對濕氣的抵抗能力，加速其失效進程 測試條件: 85℃，85%RH, 1.1 VCC, Static bias 失效機制：電解腐蝕 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 JESD22-A101-D EIAJED- 4701-D122 ③高加速溫濕度及偏壓測試（HAST: Highly Accelerated Stress Test ） 目的: 評估IC產(chǎn)品在偏壓下高溫，高濕，高氣壓條件下對濕度的抵抗能力，加速其失效過程 測試條件: 130℃， 85%RH, 1.1 VCC, Static bias，2.3 atm 失效機制：電離腐蝕，封裝密封性 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 JESD22-A110 ④PCT:高壓蒸煮試驗 Pressure Cook Test (Autoclave Test) 目的: 評估IC產(chǎn)品在高溫，高濕，高氣壓條件下對濕度的抵抗能力，加速其失效過程 測試條件: 130℃， 85%RH, Static bias，15PSIG（2 atm） 失效機制：化學金屬腐蝕，封裝密封性 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 JESD22-A102 EIAJED- 4701-B123 *HAST與THB的區(qū)別在于溫度更高，并且考慮到壓力因素，實驗時間可縮短，而PCT則不加偏壓，但濕度增大。 ⑤TCT: 高低溫循環(huán)試驗（Temperature Cycling Test ） 目的: 評估IC產(chǎn)品中具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬之間的界面的接觸良率。方法是通過循環(huán)流動的空氣從高溫到低溫重復變化。 測試條件: Condition B:-55℃ to 125℃ Condition C: -65℃ to 150℃ 失效機制：電介質(zhì)的斷裂，導體和絕緣體的斷裂，不同界面的分層 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 MIT-STD-883E Method 1010.7 JESD22-A104-A EIAJED- 4701-B-131 ⑥TST: 高低溫沖擊試驗（Thermal Shock Test ） 目的: 評估IC產(chǎn)品中具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬之間的界面的接觸良率。方法是通過循環(huán)流動的液體從高溫到低溫重復變化。 測試條件: Condition B: - 55℃ to 125℃ Condition C: - 65℃ to 150℃ 失效機制：電介質(zhì)的斷裂，材料的老化（如bond wires）, 導體機械變形 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準： MIT-STD-883E Method 1011.9 JESD22-B106 EIAJED- 4701-B-141 * TCT與TST的區(qū)別在于TCT偏重于package 的測試，而TST偏重于晶圓的測試 ⑦HTST: 高溫儲存試驗（High Temperature Storage Life Test ） 目的: 評估IC產(chǎn)品在實際使用之前在高溫條件下保持幾年不工作條件下的生命時間。 測試條件: 150℃ 失效機制：化學和擴散效應，Au-Al 共金效應 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 MIT-STD-883E Method 1008.2 JESD22-A103-A EIAJED- 4701-B111 ⑧可焊性試驗（Solderability Test ） 目的: 評估IC leads在粘錫過程中的可靠度 測試方法: Step1：蒸汽老化8 小時 Step2：浸入245℃錫盆中 5秒 失效標準（Failure Criterion）：至少95％良率 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 MIT-STD-883E Method 2003.7 JESD22-B102 ⑨SHT Test:焊接熱量耐久測試（ Solder Heat Resistivity Test ） 目的: 評估IC 對瞬間高溫的敏感度 測試方法: 侵入260℃ 錫盆中10秒 失效標準（Failure Criterion）：根據(jù)電測試結(jié)果 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 MIT-STD-883E Method 2003.7 EIAJED- 4701-B106 三、耐久性測試項目（Endurance test items ） Endurance cycling test, Data retention test ①周期耐久性測試（Endurance Cycling Test ） 目的: 評估非揮發(fā)性memory器件在多次讀寫算后的持久性能 Test Method: 將數(shù)據(jù)寫入memory的存儲單元，在擦除數(shù)據(jù)，重復這個過程多次 測試條件: 室溫，或者更高，每個數(shù)據(jù)的讀寫次數(shù)達到100k~1000k 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準 MIT-STD-883E Method 1033 ②數(shù)據(jù)保持力測試（Data Retention Test） 目的: 在重復讀寫之后加速非揮發(fā)性memory器件存儲節(jié)點的電荷損失 測試條件: 在高溫條件下將數(shù)據(jù)寫入memory 存儲單元后，多次讀取驗證單元中的數(shù)據(jù) 失效機制：150℃ 具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標準： MIT-STD-883E Method 1008.2 MIT-STD-883E Method 1033 在了解上述的IC測試方法之后，IC的設計制造商就需要根據(jù)不用IC產(chǎn)品的性能，用途以及需要測試的目的，選擇合適的測試方法，最大限度的降低IC測試的時間和成本，從而有效控制IC產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠度。 |
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