IC產品的質量與可靠性驗證

IC產品的質量與可靠性驗證

  質量（Quality）和可靠性（Reliability）在一定程度上可以說是IC產品的生命，好的品質，長久的耐力往往就是一顆IC產品的競爭力所在。在做產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，質量和可靠性就有了保證，制造商才可以大量地將產品推向市場，客戶才可以放心地使用產品。本文將目前較為流行的測試方法加以簡單歸類和闡述，力求達到拋磚引玉的作用。

質量（Quality）就是產品性能的測量，它回答了一個產品是否合乎規格（SPEC）的要求，是否符合各項性能指標的問題；可靠性（Reliability）則是對產品耐久力的測量，它回答了一個產品生命周期有多長，簡單說，它能用多久的問題。所以說質量（Quality）解決的是現階段的問題，可靠性（Reliability）解決的是一段時間以后的問題。知道了兩者的區別，我們發現，Quality的問題解決方法往往比較直接，設計和制造單位在產品生產出來后，通過簡單的測試，就可以知道產品的性能是否達到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，這個產品能用多久，誰會能保證今天產品能用，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）電子設備工程聯合委員會，電子行業標準化組織之一；EIAJED：日本電子工業協會，電子行業標準化組織之一。

在介紹一些目前較為流行的Reliability的測試方法之前，我們先來認識一下IC產品的生命周期。典型的IC產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）

這個階段產品的 failure rate 快速下降，造成失效的原因在于IC設計和生產過程中的缺陷；

Region (II) 被稱為使用期（Useful life period）

在這個階段產品的failure rate保持穩定，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，失效的原因就是產品的長期使用所造成的老化等。 

認識了典型IC產品的生命周期，我們就可以看到，Reliability的問題就是要力圖將處于早夭期failure的產品去除并估算其良率，預計產品的使用期，并且找到failure的原因，尤其是在IC生產，封裝，存儲等方面出現的問題所造成的失效原因。 

下面就是一些 IC產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：評估工藝的穩定性，加速缺陷失效率，去除由于天生原因失效的產品。 

測試條件： 在特定時間內動態提升溫度和電壓對產品進行測試 

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造成的失效。

具體的測試條件和估算結果可參考以下標準：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, 動態測試 

失效機制：電子遷移，氧化層破裂，相互擴散，不穩定性，離子玷污等 

參考標準： 

125℃條件下1000小時測試通過IC可以保證持續使用4年，2000小時測試持續使用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果可參考以下標準 :MIT-STD-883E Method 1005.8 ;JESD22-A108-A ;EIAJED- 4701-D101 。

二、環境測試項目（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（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)

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

封裝破裂，分層

具體的測試條件和估算結果可參考以下標準:JESD22-A113-D;EIAJED- 4701-B101。

評估結果：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過烘焙，并且必須在潮濕敏感注意標貼上所規定的時間限定內回流。

提示：濕度總是困擾在電子系統背后的一個難題。不管是在空氣流通的熱帶區域中，還是在潮濕的區域中運輸，潮濕都是顯著增加電子工業開支的原因。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。基于此原因，電子制造商們必須為預防潛在災難支付高昂的開支。吸收到內部的潮氣是半導體封裝大的問題。當其固定到PCB板上時，回流焊快速加熱將在內部形成壓力。這種高速膨脹，取決于不同封裝結構材料的熱膨脹系數（CTE）速率不同，可能產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境下，陷于塑料的表面貼裝元件(SMD, surface mount device)內部的潮濕會產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部裂紋等。在一些的情況中，裂紋會延伸到元件的表面；嚴重的情況就是元件鼓脹和爆裂(叫做"爆米花"效益)。盡管現在，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導致破壞封裝的小爆炸（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。實際上國外經常使用裝備有射頻標簽的濕度跟蹤系統、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果可參考以下標準：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果可參考以下標準：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果可參考以下標準：JESD22-A102；EIAJED- 4701-B123 

*HAST與THB的區別在于溫度更高，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: 高低溫循環試驗（Temperature Cycling Test ）

目的：評估IC產品中具有不同熱膨脹系數的金屬之間的界面的接觸良率。方法是通過循環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果可參考以下標準：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產品中具有不同熱膨脹系數的金屬之間的界面的接觸良率。方法是通過循環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果可參考以下標準：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 

失效標準（Failure Criterion）：至少95％良率 

具體的測試條件和估算結果可參考以下標準：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 

失效標準（Failure Criterion）：根據電測試結果 

具體的測試條件和估算結果可參考以下標準:MIT-STD-883E Method 2003.7；EIAJED- 4701-B106。

三、耐久性測試項目（Endurancetest items ）

Endurance cycling test, Data retention test 

①周期耐久性測試（EnduranceCycling Test ）

目的：評估非揮發性memory器件在多次讀寫算后的持久性能

測試方法：將數據寫入memory的存儲單元，在擦除數據，重復這個過程多次

測試條件：室溫，或者更高，每個數據的讀寫次數達到100k~1000k

具體的測試條件和估算結果可參考以下標準：MIT-STD-883E Method 1033

②數據保持力測試（Data Retention Test）

目的：在重復讀寫之后加速非揮發性memory器件存儲節點的電荷損失 

測試方法：在高溫條件下將數據寫入memory存儲單元后，多次讀取驗證單元中的數據 

測試條件：150℃ 

具體的測試條件和估算結果可參考以下標準：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不用IC產品的性能，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產品的質量和可靠度。