各種外部環(huán)境條件下的可靠性測試

導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)品失效的外部環(huán)境條件誘因有許多。因此，產(chǎn)品在被運(yùn)往目的地之前，需接受特定環(huán)境條件下的可靠性測試，以確保其能夠經(jīng)受住不同環(huán)境條件的考驗(yàn)。

預(yù)處理測試

完成產(chǎn)品裝運(yùn)和儲存后，可通過預(yù)處理測試來評估客戶使用過程中可能出現(xiàn)的問題，如吸濕性（Hygroscopic）4和熱應(yīng)力等影響產(chǎn)品可靠性的因素。預(yù)處理通過模擬產(chǎn)品在出售、運(yùn)送給客戶的過程中、打開真空包裝，及系統(tǒng)安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)，評估其在潮濕條件下的可靠性。

預(yù)處理是環(huán)境條件可靠性測試的先決條件，包括溫濕度偏壓（Temperature Humidity Bias, THB）測試、高加速應(yīng)力（Highly Accelerated Stress Test, HAST）測試及熱循環(huán)（Thermal Cycle, TC）測試。

4吸濕性（Hygroscopic）：從空氣中吸收水分的現(xiàn)象。

在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，此現(xiàn)象會導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效。 評估順序依次為熱循環(huán)、烘烤、吸熱、回流焊。圖3展示了將預(yù)處理測試應(yīng)用于封裝、運(yùn)輸和系統(tǒng)安裝環(huán)節(jié)等的流程。



▲ 圖3: 生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用與預(yù)處理測試條件的關(guān)系（? HANOL出版社）

熱循環(huán)測試

熱循環(huán)（TC）測試是評估產(chǎn)品在不同的用戶環(huán)境中，可能出現(xiàn)的瞬時(shí)溫度變化時(shí)產(chǎn)品的耐受性。半導(dǎo)體封裝和模塊由不同材料組成，而不同材料的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）5各不相同，這會導(dǎo)致由于應(yīng)力作用而引起的疲勞失效，這種應(yīng)力一般是在熱變化發(fā)生后，因膨脹和收縮所產(chǎn)生的。

*^5^*熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion）：一種材料性能，用于表示材料在受熱情況下膨脹的程度。

熱循環(huán)測試的主要目的是測量溫度變化時(shí)，半導(dǎo)體封裝承受應(yīng)力的能力，但高溫和低溫應(yīng)力也可能導(dǎo)致許多其它失效問題。長時(shí)間的熱沖擊可用于驗(yàn)證半導(dǎo)體各種封裝材料因應(yīng)力和熱膨脹因素，造成的界面分層（Interfacial Delamination）6、內(nèi)外封裝裂紋、芯片裂紋的可能性。此外，由于綠色產(chǎn)品法規(guī)對鉛等有害物質(zhì)使用的限制，以及便攜式移動設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，焊點(diǎn)的重要性與日俱增，而熱循環(huán)也是評估焊點(diǎn)可靠性的一種有效測試方法。

*^6^*界面分層（Interfacial Delamination）：指半導(dǎo)體封裝中，界面相互分離。

溫濕度貯存測試和溫濕度偏壓測試

溫濕度貯存（Temperature Humidity Storage, THS）測試用于評估半導(dǎo)體產(chǎn)品承受高溫和高濕條件下的耐受性。為了確定合適的曝露時(shí)間，建議通過測量打開防潮包裝后的吸濕量以模擬實(shí)際的使用環(huán)境。同時(shí)，溫濕度偏壓（THB）測試通過向產(chǎn)品施加電偏壓（Electrical Bias）7的方法來評估其防潮性能。盡管大多數(shù)失效原因是由鋁腐蝕引起的，但溫度應(yīng)力也會造成其它潛在問題。該測試還可以用于檢測其它封裝可靠性問題，例如濕氣滲入引線間細(xì)小空隙或模塑孔而引發(fā)的焊盤金屬腐蝕問題，以及濕氣透過保護(hù)膜空隙滲入而導(dǎo)致的失效問題等。

*^7^*電偏壓（Electrical Bias）：在兩點(diǎn)之間施加直流電（DC）以**控制電路。

高壓爐測試

高壓爐測試（Pressure Cooker Test, PCT）是一種早期評估耐濕性的理想方式，其測試標(biāo)準(zhǔn)相較于溫濕度貯存測試和溫濕度偏壓測試更為嚴(yán)格。高壓爐測試又名蒸壓器（Autoclave）8測試，該測試是在100%相對濕度和高壓的情況下，通過濕氣滲透來評估模塑材料的耐濕性以及模塑結(jié)構(gòu)的可靠性。此外，該測試還可以用于檢測由引線及模塑通孔間濕氣滲透所導(dǎo)致的產(chǎn)品失效。

*^8^*蒸壓器（Autoclave）：一種高壓器具。在高壓容器處于高溫密封的情況下加入水，水會蒸發(fā)，從而增加壓力和濕度，為高壓容器內(nèi)的樣品創(chuàng)造必要條件。

類似于溫濕度儲存測試，高壓爐測試曾是用于厚半導(dǎo)體封裝可靠性測試的重要方法。然而，從目前JEDEC的評估結(jié)果及最新的國際趨勢來看，高壓爐測試對于當(dāng)前的封裝來說，應(yīng)力幅度過大。因此，這項(xiàng)測試方法需根據(jù)封裝類型有選擇性地使用。高壓爐測試主要用于引線框架產(chǎn)品，而無偏壓高加速應(yīng)力測試（UHAST）主要應(yīng)用于基板產(chǎn)品。

無偏壓的高加速應(yīng)力測試、高加速應(yīng)力測試和高加速壽命測試

無偏壓高加速應(yīng)力測試（UHAST）是通過對薄封裝的基底類型產(chǎn)品，如細(xì)間距球柵陣列封裝（FBGA）產(chǎn)品施加與高壓爐測試相似的應(yīng)力，來評估產(chǎn)品可靠性。這兩項(xiàng)測試在識別和發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效類型方面也有相同之處，高壓爐測試采用飽和濕度或100%相對濕度來施加應(yīng)力；而無偏壓高加速應(yīng)力測試，則采用與用戶環(huán)境相似的相對濕度為85%的非飽和濕度條件。該測試方法主要采用電偶腐蝕（Galvanic Corrosion）9或直接化學(xué)腐蝕。

*^9^*電偶腐蝕（Galvanic Corrosion）：一種當(dāng)較活潑的陽極金屬與較耐腐蝕的陰極金屬在電解質(zhì)溶液中接觸時(shí)，較活潑的金屬易被腐蝕的電化學(xué)過程。

另一項(xiàng)評估是高加速應(yīng)力測試（HAST），用于評估非密封封裝在潮濕環(huán)境下的可靠性。這項(xiàng)測試采用與溫濕度偏壓測試相同的方法， 引腳在靜態(tài)偏壓的狀態(tài)下，繼續(xù)向其施加溫度、濕 濕度及壓力應(yīng)力。最后是高加速壽命測試（HALT），這是一種快速應(yīng)力測試，有助于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段識別和糾正設(shè)計(jì)缺陷。

機(jī)械因素可靠性測試

半導(dǎo)體產(chǎn)品在搬運(yùn)、儲存、運(yùn)輸和運(yùn)行過程中，會受到機(jī)械、氣候和電氣因素造成的環(huán)境壓力，這些負(fù)荷會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠性。因此，有必要對開發(fā)中或批量生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行評估，以監(jiān)測此類異常情況。在評估過程中，制造商可對產(chǎn)品施加振動、沖擊或跌落等物理應(yīng)力。

沖擊測試

沖擊測試通過模擬產(chǎn)品在搬運(yùn)和運(yùn)輸中可能受到的沖擊，來評估產(chǎn)品的抗沖擊力。典型的沖擊測試包括錘擊測試和跌落測試。錘擊測試時(shí)將測試樣品固定在適當(dāng)位置，然后用錘子敲擊；跌落測試是指讓產(chǎn)品自由向下跌落。錘擊測試用于評估產(chǎn)品可承受的錘擊力和脈沖承受能力，以及沖擊次數(shù)。而跌落測試中，測試樣品需要在1-1.2米的高度自由向下跌落，以模擬用戶的實(shí)際工作環(huán)境。

振動、彎曲和扭轉(zhuǎn)測試

振動測試是用于產(chǎn)品在運(yùn)輸期間可能發(fā)生振動的抵抗力評估，通常采用符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的正弦振動（Sine Vibration）10實(shí)驗(yàn)方式。

*^10^*正弦振動（Sine Vibration）：頻率隨時(shí)間而變化的振動。

其它測試還包括彎曲測試和扭轉(zhuǎn)測試。彎曲測試用于評估因印刷電路板（PBC）翹曲或彎曲造成的焊點(diǎn)缺陷；扭轉(zhuǎn)測試也被稱為扭曲或扭矩測試，用于評估受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)品的焊點(diǎn)問題和翹曲承受力。

確保提供可靠的半導(dǎo)體產(chǎn)品

本篇文章所介紹的可靠性測試及標(biāo)準(zhǔn)，是確保這些重要元件符合當(dāng)今科技世界嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)的根基。從環(huán)境條件測試、機(jī)械因素測試，到產(chǎn)品壽命測試等各項(xiàng)評估方法，皆體現(xiàn)了半導(dǎo)體行業(yè)致力于生產(chǎn)可靠、耐用產(chǎn)品的決心。






審核編輯：劉清