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IC产品的质量与可靠性测试

时间:2018-01-14 16:46来源:http://www.ictest8.com 作者:ictest8_edit 点击:

质量(Quality)和可靠性(Reliability)在一定程度上可以说是IC产品的生命。质量(Quality)就是产品性能的测量,它回答了一个产品是否合乎规格(SPEC)的要求,是否符合各项性能指标的问题;可靠性(Reliability)则是对产品耐久力的测量,它回答了一个产品生命周期有多长,简单说,它能用多久的问题。所以说质量(Quality)解决的是现阶段的问题,可靠性(Reliability)解决的是一段时间以后的问题。知道了两者的区别,我们发现,Quality的问题解决方法往往比较直接,设计和制造单位在产品生产出来后,通过简单的测试,就可以知道产品的性能是否达到SPEC的要求,这种测试在IC的设计和制造单位就可以进行。相对而言,Reliability的问题似乎就变的十分棘手,这个产品能用多久,谁会能保证今天产品能用,明天就一定能用?

为了解决这个问题,人们制定了各种各样的标准,如: JESD22-A108-A、EIAJED- 4701-D101,注:JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)电子设备工程联合委员会,著名国际电子行业标准化组织之一;EIAJED:日本电子工业协会,著名国际电子行业标准化组织之一。

在介绍一些目前较为流行的Reliability的测试方法之前,我们先来认识一下IC产品的生命周期。典型的IC产品的生命周期可以用一条浴缸曲线(Bathtub Curve)来表示。

  • Region (I) 被称为早夭期(Infancy period)

这个阶段产品的 failure rate 快速下降,造成失效的原因在于IC设计和生产过程中的缺陷;

  • Region (II) 被称为使用期(Useful life period)

在这个阶段产品的failure rate保持稳定,失效的原因往往是随机的,比如温度变化等等;

  • Region (III) 被称为磨耗期(Wear-Out period)

在这个阶段failure rate 会快速升高,失效的原因就是产品的长期使用所造成的老化等。 

认识了典型IC产品的生命周期,我们就可以看到,Reliability的问题就是要力图将处于早夭期failure的产品去除并估算其良率,预计产品的使用期,并且找到failure的原因,尤其是在IC生产,封装,存储等方面出现的问题所造成的失效原因。 

下面就是一些 IC产品可靠性等级测试项目(IC Product Level reliability test items )

一、使用寿命测试项目(Life test items):EFR, OLT (HTOL), LTOL 

①EFR:早期失效等级测试( Early fail Rate Test )

目的:评估工艺的稳定性,加速缺陷失效率,去除由于天生原因失效的产品。 

测试条件: 在特定时间内动态提升温度和电压对产品进行测试 

失效机制:材料或工艺的缺陷,包括诸如氧化层缺陷,金属刻镀,离子玷污等由于生产造成的失效。

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:JESD22-A108-A ;EIAJED- 4701-D101 。

②HTOL/ LTOL:高/低温操作生命期试验(High/ Low Temperature Operating Life )

目的:评估器件在超热和超电压情况下一段时间的耐久力 

测试条件:125℃,1.1VCC, 动态测试 

失效机制:电子迁移,氧化层破裂,相互扩散,不稳定性,离子玷污等 

参考标准: 

125℃条件下1000小时测试通过IC可以保证持续使用4年,2000小时测试持续使用8年;

150℃ 1000小时测试通过保证使用8年,2000小时保证使用28年。

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准 :MIT-STD-883E Method 1005.8 ;JESD22-A108-A ;EIAJED- 4701-D101 。

二、环境测试项目(Environmental test items) 

PRE-CON, THB, HAST, PCT, TCT, TST, HTST, Solderability Test, Solder Heat Test 

①PRE-CON:预处理测试( Precondition Test )

目的:模拟IC在使用之前在一定湿度,温度条件下存储的耐久力,也就是IC从生产到使用之间存储的可靠性。 

测试流程(Test Flow):

Step 1:超声扫描仪 SAM (Scanning Acoustic Microscopy) 

Step 2: 高低温循环(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 (储运时间多久都没关系) 

-Level 2: 85℃ / 60%RH for 168 hrs (储运时间一年左右) 

-Level 3: 30℃ / 60%RH for 192 hrs (储运时间一周左右)

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:超声扫描仪 SAM (Scanning Acoustic Microscopy)

BGA在回流工艺中由于湿度原因而过度膨胀所导致的分层/裂纹

 

封装破裂,分层

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:JESD22-A113-D;EIAJED- 4701-B101。

评估结果:八种耐潮湿分级和车间寿命(floor life),请参阅 J-STD-020。

注:对于6级,元件使用之前必须经过烘焙,并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流。

提示:湿度总是困扰在电子系统背后的一个难题。不管是在空气流通的热带区域中,还是在潮湿的区域中运输,潮湿都是显著增加电子工业开支的原因。由于潮湿敏感性元件使用的增加,诸如薄的密间距元件(fine-pitch device)和球栅阵列(BGA, ball grid array),使得对这个失效机制的关注也增加了。基于此原因,电子制造商们必须为预防潜在灾难支付高昂的开支。吸收到内部的潮气是半导体封装最大的问题。当其固定到PCB板上时,回流焊快速加热将在内部形成压力。这种高速膨胀,取决于不同封装结构材料的热膨胀系数(CTE)速率不同,可能产生封装所不能承受的压力。当元件暴露在回流焊接期间升高的温度环境下,陷于塑料的表面贴装元件(SMD, surface mount device)内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包括塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、金线焊接损伤、芯片损伤、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。在一些极端的情况中,裂纹会延伸到元件的表面;最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做“爆米花”效益)。尽管现在,进行回流焊操作时,在180℃ ~200℃时少量的湿度是可以接受的。然而,在230℃ ~260℃的范围中的无铅工艺里,任何湿度的存在都能够形成足够导致破坏封装的小爆炸(爆米花状)或材料分层。必须进行明智的封装材料选择、仔细控制的组装环境和在运输中采用密封包装及放置干燥剂等措施。实际上国外经常使用装备有射频标签的湿度跟踪系统、局部控制单元和专用软件来显示封装、测试流水线、运输/操作及组装操作中的湿度控制。

②THB: 加速式温湿度及偏压测试(Temperature Humidity Bias Test )

目的:评估IC产品在高温,高湿,偏压条件下对湿气的抵抗能力,加速其失效进程。

测试条件:85℃,85%RH, 1.1 VCC, Static bias 

失效机制:电解腐蚀 

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:JESD22-A101-D;EIAJED- 4701-D122 

Leakage failure

③高加速温湿度及偏压测试(HAST: Highly Accelerated Stress Test )

目的:评估IC产品在偏压下高温,高湿,高气压条件下对湿度的抵抗能力,加速其失效过程。

测试条件:130℃, 85%RH, 1.1 VCC, Static bias,2.3 atm 

失效机制:电离腐蚀,封装密封性 

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:JESD22-A110 

Au Wire Ball Bond with Kirkendall Voiding

④PCT:高压蒸煮试验 Pressure Cook Test (Autoclave Test) 

目的:评估IC产品在高温,高湿,高气压条件下对湿度的抵抗能力,加速其失效过程。

测试条件:130℃, 85%RH, Static bias,15PSIG(2 atm) 

失效机制:化学金属腐蚀,封装密封性 

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:JESD22-A102;EIAJED- 4701-B123 

*HAST与THB的区别在于温度更高,并且考虑到压力因素,实验时间可以缩短,而PCT则不加偏压,但湿度增大。 

Bond pad corrosion

⑤TCT: 高低温循环试验(Temperature Cycling Test )

目的:评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。方法是通过循环流动的空气从高温到低温重复变化。 

测试条件:

Condition B:-55℃ to 125℃ 

Condition C: -65℃ to 150℃ 

失效机制:电介质的断裂,导体和绝缘体的断裂,不同界面的分层 

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:MIT-STD-883E Method 1010.7;JESD22-A104-A;EIAJED- 4701-B-131 

Ball neck broken by die top de-lamination after Temp cycling

⑥TST: 高低温冲击试验(Thermal Shock Test )

目的:评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。方法是通过循环流动的液体从高温到低温重复变化。

测试条件: 

Condition B: - 55℃ to 125℃ 

Condition C:- 65℃ to 150℃ 

失效机制:电介质的断裂,材料的老化(如bond wires), 导体机械变形 

具体的测试条件和估算结果可参考以下标准:MIT-STD-883E Method 1011.9;JESD22-B106;EIAJED- 4701-B-141 

* TCT与TST的区别在于TCT偏重于package 的测试,而TST偏重于晶园的测试