IC產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性測試

#/12EIAJED：日本電子工業(yè)協(xié)會，著名國際電子行業(yè)標(biāo)準化組織之一。等等，這些標(biāo)準林林總總，方方面面，都是建立在長久以來IC設(shè)計，制造和使用的經(jīng)驗的基礎(chǔ)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(biāo)準的測試結(jié)果。這些標(biāo)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(shè)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(biāo)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(BathtubCurve)來表示。TheBathtubCurveHypotheti匚別FailureRateversusTimeTheBathtubCurveHypotheti匚別FailureRateversusTimeIIIIIRegion⑴被稱為早夭期(Infancyperiod)這個階段產(chǎn)品的failurerate快速下降，造成失效的原因在于IC設(shè)計和生產(chǎn)過程中的缺陷；Region(II)被稱為使用期(Usefullifeperiod)在這個階段產(chǎn)品的failurerate保持穩(wěn)定，失效的原因往往是隨機的，比如溫度變化Region(III)被稱為磨耗期(Wear-Outperiod)在這個階段failurerate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(yù)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(ICProductLevelreliabilitytestitems)一、使用壽命測試項目(Lifetestitems)：efr,olt(htol),ltol①EFR:早期失效等級測試(EarlyfailRateTest)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(biāo)準：JESD22-A108-AEIAJED-4701-D101②HTOL/LTOL:高/低溫操作生命期試驗(High/LowTemperatureOperatingLife)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°C,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(biāo)準：125C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；150C1000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(biāo)準MIT-STD-883EMethod1005.8JESD22-A108-AEIAJED-4701-D101二、環(huán)境測試項目(Environmentaitestitems)PRE-CON,THB,HAST,PCT,TCT,TST,HTST,SolderabilityTest,SoiderHeatTest①PRE-CON:預(yù)處理測試(PreconditionTest)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(TestFiow):Step1:超聲掃描儀SAM(ScanningAcousticMicroscopy)Step2:高低溫循環(huán)(Temperaturecycling)-40°C(orlower)~60°C(orhigher)for5cyclestosimulateshippingconditionsStep3:烘烤(Baking)Atminimum125Cfor24hourstoremoveallmoisturefromthepackageStep4:浸泡(Soaking)Usingoneoffollowingsoakconditions-Level1:85°C/85%RHfor168hrs(儲運時間多久都沒關(guān)系)-Level2:85C/60%RHfor168hrs(儲運時間一年左右)-Level3:30C/60%RHfor192hrs(儲運時間一周左右)Step5:Reflow(回流焊)240C(-5C)/225C(-5C)for3times(Pb-Sn)245C(-5C)/250C(-5C)for3times(Lead-free)*chooseaccordingthepackagesizeStep6：超聲掃描儀SAM(ScanningAcousticMicroscopy)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(dǎo)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(biāo)準JESD22-A113-DEIAJED-4701-B101評估結(jié)果：八種耐潮濕分級和車間壽命(floorlife)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%RH168小時車間壽命4級-小于或等于30°C/60%RH72小時車間壽命5級-小于或等于30°C/60%RH48小時車間壽命5a級-小于或等于30°C/60%RH24小時車間壽命6級-小于或等于30°C/60%RH72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(biāo)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-pitchdevice)和球柵陣列(BGA,ballgridarray),使得對這個失效機制的關(guān)注也增加了?；诖嗽?電子制造商們必須為預(yù)防潛在災(zāi)難支付高昂的開支。吸收到內(nèi)部的潮氣是半導(dǎo)體圭寸裝最大的問題。當(dāng)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(dāng)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,surfacemountdevice)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°C~200°C時少量的濕度是可以接受的。然而，在230C~260°C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(biāo)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（TemperatureHumidityBiasTest）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：85C，85%RH,1.1VCC,Staticbias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(biāo)準JESD22-A101-DEIAJED-4701-D122③高加速溫濕度及偏壓測試(HAST:HighlyAcceleratedStressTest)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°C,85%RH,1.1VCC,Staticbias2.3atm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(biāo)準JESD22-A110PCT:高壓蒸煮試驗PressureCookTest(AutoclaveTest)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:130C，85%RH,Staticbias，15PSIG(2atm)失效機制：化學(xué)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(biāo)準JESD22-A102EIAJED-4701-B123*HAST與THB的區(qū)別在于溫度更高，并且考慮到壓力因素，實驗時間可以縮短，而PCT則不加偏壓，但濕度增大。TCT:高低溫循環(huán)試驗(TemperatureCyclingTest)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(fù)變化。測試條件:ConditionB:-55°Cto125°CConditionC:-65Cto150°C失效機制：電介質(zhì)的斷裂，導(dǎo)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(biāo)準MIT-STD-883EMethod1010.7JESD22-A104-AEIAJED-4701-B-131TST:高低溫沖擊試驗(ThermalShockTest)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(fù)變化。測試條件:ConditionB:-55Cto125CConditionC:-65Cto150C失效機制：電介質(zhì)的斷裂，材料的老化(如bondwires),導(dǎo)體機械變形具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標(biāo)準：MIT-STD-883EMethod1011.9JESD22-B106EIAJED-4701-B-141*TCT與TST的區(qū)別在于TCT偏重于package的測試，而TST偏重于晶園的測試HTST:高溫儲存試驗(HighTemperatureStorageLifeTest)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：150C失效機制：化學(xué)和擴散效應(yīng)，Au-AI共金效應(yīng)具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標(biāo)準MIT-STD-883EMethod1008.2JESD22-A103-AEIAJED-4701-B111可焊性試驗(SolderabilityTest)目的：評估ICleads在粘錫過程中的可靠度測試方法：Stepl：蒸汽老化8小時Step2：浸入245°C錫盆中5秒失效標(biāo)準(FailureCriterion)：至少95%良率具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標(biāo)準MIT-STD-883EMethod2003.7JESD22-B102SHTTest:焊接熱量耐久測試(SolderHeatResistivityTest)目的：評估IC對瞬間高溫的敏感度測試方法：侵入260C錫盆中10秒失效標(biāo)準(FailureCriterion)：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(biāo)準MIT-STD-883EMethod2003.7EIAJED-4701-B106三、耐久性測試項目(Endurancetestitems)Endurancecyclingtest,Dataretentiontest周期耐久性測試(EnduranceCyclingTest)目的:評估非揮發(fā)性memory器件在多次讀寫算后的持久性能TestMethod:將數(shù)據(jù)寫入memory的存儲單元，在擦除數(shù)據(jù)，重復(fù)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(biāo)準MIT-STD-883EMethod1033數(shù)據(jù)保持力