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IC產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性驗證

  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。本文將目前較為流行的測試方法加以簡單歸類和闡述，力求達(dá)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(biāo)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(shè)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(dá)到SPEC的要求，這種測試在IC的設(shè)計和制造單位就可以進(jìn)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，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(biāo)準(zhǔn)，如: JESD22-A108-A、EIAJED- 4701-D101，注：JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會，電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織之一；EIAJED：日本電子工業(yè)協(xié)會，電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織之一。

在介紹一些目前較為流行的Reliability的測試方法之前，我們先來認(rèn)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。

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(shè)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(jī)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(rèn)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（IC Product Level reliability test items ）

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(jìn)行測試 

失效機(jī)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(zhǔn)：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(jī)制：電子遷移，氧化層破裂，相互擴(kuò)散，不穩(wěn)定性，離子玷污等 

參考標(biāo)準(zhǔn)： 

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(biāo)準(zhǔn) :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(yù)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(guān)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)

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

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(zhǔn):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。

注：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-pitch device)和球柵陣列(BGA, ball grid array)，使得對這個失效機(jī)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)體封裝大的問題。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, 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。在一些的情況中，裂紋會延伸到元件的表面；嚴(yán)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(jìn)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?yán)?，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(jìn)行明智的封裝材料選擇、仔細(xì)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(jìn)程。

測試條件：85℃，85%RH, 1.1 VCC, Static bias 

失效機(jī)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(zhǔn)：JESD22-A101-D；EIAJED- 4701-D122 

Leakage failure

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(jī)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(zhǔn)：JESD22-A110 

Au Wire Ball Bond with Kirkendall Voiding

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(jī)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(zhǔn)：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，實驗時間可以縮短，而PCT則不加偏壓，但濕度增大。 

Bond pad corrosion

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(fù)變化。 

測試條件：

Condition B：-55℃ to 125℃ 

Condition C： -65℃ to 150℃ 

失效機(jī)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(zhǔn)：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(fù)變化。

測試條件: 

Condition B： - 55℃ to 125℃ 

Condition C：- 65℃ to 150℃ 

失效機(jī)制：電介質(zhì)的斷裂，材料的老化（如bond wires）, 導(dǎo)體機(jī)械變形 

具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標(biāo)準(zhǔn)：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偏重于晶園的測試 

Metal crack and metal shift after thermal Shock

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(jī)制：化學(xué)和擴(kuò)散效應(yīng)，Au-Al 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(zhǔn)：MIT-STD-883E Method 1008.2；JESD22-A103-A；EIAJED- 4701-B111 

Kirkendall Void

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(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)：MIT-STD-883E Method 2003.7；JESD22-B102。

poor solderability of the pad surface

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(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn):MIT-STD-883E Method 2003.7；EIAJED- 4701-B106。

三、耐久性測試項目（Endurancetest items ）

Endurance cycling test, Data retention test 

①周期耐久性測試（EnduranceCycling 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

測試方法：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(dá)到100k~1000k

具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標(biāo)準(zhǔn)：MIT-STD-883E Method 1033

②數(shù)據(jù)保持力測試（Data Retention Test）

目的：在重復(fù)讀寫之后加速非揮發(fā)性memory器件存儲節(jié)點的電荷損失 

測試方法：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) 

測試條件：150℃ 

具體的測試條件和估算結(jié)果可參考以下標(biāo)準(zhǔn)：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(shè)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，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。