IC产品的质量与可靠性验证
时间:2020-04-16 阅读:445
IC产品的质量与可靠性验证
质量(Quality)和可靠性(Reliability)在一定程度上可以说是IC产品的生命,好的品质,长久的耐力往往就是一颗IC产品的竞争力所在。在做产品验证时我们往往会遇到三个问题,验证什么,如何去验证,哪里去验证,这就是what, how , where 的问题了。
解决了这三个问题,质量和可靠性就有了保证,制造商才可以大量地将产品推向市场,客户才可以放心地使用产品。本文将目前较为流行的测试方法加以简单归类和阐述,力求达到抛砖引玉的作用。
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,电子行业标准化组织之一;EIAJED:日本电子工业协会,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。在一些的情况中,裂纹会延伸到元件的表面;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