【導(dǎo)讀】本系列文章詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體后端工藝，涵蓋了從不同類型的半導(dǎo)體封裝、封裝工藝及材料等各個方面。作為本系列的收篇之作，本文將介紹半導(dǎo)體的可靠性測試及標(biāo)準(zhǔn)。除了詳細(xì)介紹如何評估和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以外，還將介紹針對半導(dǎo)體封裝預(yù)期壽命、半導(dǎo)體封裝在不同外部環(huán)境中的可靠性，及機(jī)械可靠性等評估方法。
本系列文章詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體后端工藝，涵蓋了從不同類型的半導(dǎo)體封裝、封裝工藝及材料等各個方面。作為本系列的收篇之作，本文將介紹半導(dǎo)體的可靠性測試及標(biāo)準(zhǔn)。除了詳細(xì)介紹如何評估和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以外，還將介紹針對半導(dǎo)體封裝預(yù)期壽命、半導(dǎo)體封裝在不同外部環(huán)境中的可靠性，及機(jī)械可靠性等評估方法。
什么是產(chǎn)品可靠性？
半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量取決于其是否可以充分滿足指定的標(biāo)準(zhǔn)及特性；而半導(dǎo)體產(chǎn)品的可靠性，是指在一定時間內(nèi)無故障運(yùn)行，從而提高客戶滿意度和復(fù)購率的能力。以此為前提，失效是指在產(chǎn)品使用過程中發(fā)生的故障，而缺陷是指在產(chǎn)品制造或檢驗過程中發(fā)生的錯誤。因此，產(chǎn)品缺陷屬于質(zhì)量問題，而產(chǎn)品在保修期內(nèi)頻繁出現(xiàn)故障則屬于可靠性問題。
圖1：質(zhì)量與可靠性的區(qū)別（? HANOL出版社）
圖1列舉了質(zhì)量及可靠性在含義和特性方面的區(qū)別。具體來講，可靠性是指系統(tǒng)、零件或材料在特定的時間、距離或使用頻次下，保持初始質(zhì)量和性能的能力。要滿足這一點，就必須要求產(chǎn)品在指定條件下，如規(guī)定使用方式或特定的環(huán)境因素中保持無故障運(yùn)行狀態(tài)。因此，半導(dǎo)體企業(yè)在產(chǎn)品量產(chǎn)前，必須先評估產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，在產(chǎn)品量產(chǎn)期間，企業(yè)也應(yīng)定期檢查產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。
評估產(chǎn)品可靠性最為重要的一步，是事先明確可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，如果一家企業(yè)準(zhǔn)備出貨100件產(chǎn)品，那么該企業(yè)則需要考慮以下問題：這些產(chǎn)品中有多少件在三年后依然可以正常使用？產(chǎn)品使用期間的運(yùn)行模式？能否保證90%的產(chǎn)品在五年后仍可正常使用？95%的產(chǎn)品可以正常使用多長時間？
驗證這些標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)行測試。理想情況下，產(chǎn)品需接受三年期、五年期甚至更長期限的測試，以確保其在不同時間范圍內(nèi)的可靠性。但如果將大量時間花費(fèi)在產(chǎn)品評估上，會使產(chǎn)品量產(chǎn)時間大幅度推遲。因此，企業(yè)通常會采用加速測試和統(tǒng)計技術(shù)來評估可靠性，此外，還可以通過可靠性函數(shù)、產(chǎn)品壽命分布、及平均壽命等計算方式，在較短時間內(nèi)完成可靠性驗證。
國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化組織(JEDEC)標(biāo)準(zhǔn)
半導(dǎo)體設(shè)計和制造企業(yè)可以自行評估旗下產(chǎn)品的可靠性，并將評估結(jié)果提供給客戶，客戶可根據(jù)評估結(jié)果來判定產(chǎn)品是否滿足其需求，或自行開展可靠性評估測試。但如果半導(dǎo)體企業(yè)和客戶采用的評估標(biāo)準(zhǔn)存在差異，那么雙方就不得不對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，而這是一項非常耗時的工作。作為解決方案，半導(dǎo)體企業(yè)通常會采納“國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化組織旗下固態(tài)技術(shù)協(xié)會1”（簡稱JEDEC）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，來同時滿足企業(yè)及客戶的需求。
1JEDEC旗下固態(tài)技術(shù)協(xié)會（JEDEC Solid State Technology Association）：為微電子行業(yè)制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和出版物的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。
JEDEC的主要職責(zé)是幫助制造商和相關(guān)組織，共同審查和制定如集成電路（Integrated Circuit）等電子設(shè)備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。隨著其所制定的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛視為國際標(biāo)準(zhǔn)，JEDEC已成為實際意義上的全球半導(dǎo)體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)。
該組織董事會（Board of Directors, BoD）負(fù)責(zé)決定政策和程序，并擁有JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的最終審批權(quán)。此外，JEDEC下設(shè)眾多委員會（JEDEC Committee, JC），為各自擅長的專業(yè)領(lǐng)域制定標(biāo)準(zhǔn)。其中，部分重要的服務(wù)半導(dǎo)體行業(yè)的委員會及其職責(zé)為：JC-14固態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性委員會，負(fù)責(zé)為固態(tài)產(chǎn)品制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；JC-11機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化委員會，負(fù)責(zé)制定模塊及半導(dǎo)體封裝外觀標(biāo)準(zhǔn)；JC-42固態(tài)存儲器委員會，負(fù)責(zé)制定DRAM標(biāo)準(zhǔn)；JC-63多芯片封裝委員會，負(fù)責(zé)制定移動多芯片封裝標(biāo)準(zhǔn)。
如果某企業(yè)想要為旗下產(chǎn)品制定標(biāo)準(zhǔn)，首先可以提交標(biāo)準(zhǔn)提案，由相應(yīng)的委員會成員進(jìn)行投票表決。無論規(guī)模大小，每家企業(yè)均有一票投票權(quán)。委員會投票通過后，標(biāo)準(zhǔn)提案還需經(jīng)由董事會投票再次表決，兩輪投票通過后，提案將被確立為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，并向各行業(yè)公示。
評估產(chǎn)品壽命的可靠性測試
除國際評估標(biāo)準(zhǔn)外，還有許多用于評估產(chǎn)品可靠性的指標(biāo)，包括評估半導(dǎo)體產(chǎn)品壽命的指標(biāo)。
早期失效率
早期失效率（Early Failure Rate, EFR）用于估算產(chǎn)品在用戶使用環(huán)境下，一年內(nèi)發(fā)生的設(shè)備故障次數(shù)。對于某些產(chǎn)品而言，由于系統(tǒng)壽命不同，或要求更高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品可靠性，這一期限可短至六個月或延長至一年以上。如圖2所示，老化測試（Burn-in）2用于篩查可能在短期內(nèi)失效的產(chǎn)品，而早期失效率用于驗證篩查后產(chǎn)品的潛在失效率是否保持在可接受的水平。測試條件根據(jù)相關(guān)半導(dǎo)體產(chǎn)品的溫度及電壓加速因子進(jìn)行設(shè)定和評估。
2老化測試（Burn-in）：是指對產(chǎn)品施加電壓和溫度應(yīng)力，以便在早期階段消除產(chǎn)品潛在缺陷的測試。封裝后執(zhí)行的老化測試被稱為“老化中測試（TBDI）”。
圖2：浴盆曲線中的早期失效率（EFR）區(qū)，及產(chǎn)品失效率隨時間發(fā)生變化的三個階段（? HANOL出版社）
高低溫工作壽命測試
高溫工作壽命（High Temperature Operating Life Test, HTOL）測試是最常見的產(chǎn)品壽命評估類型之一，旨在評估產(chǎn)品在使用期間由溫度和電壓應(yīng)力引起的問題。高溫工作壽命測試是相對全面的測試方式，它不僅可以評估早期失效，同時可以識別由事故或損耗造成的失效問題。同樣，低溫工作壽命（Low Temperature Operating Life Test, LTOL）測試可用于評估因受到熱載流子（Hot Carrier）3影響而發(fā)生失效的概率，但由于施加了電壓和溫度，也存在導(dǎo)致產(chǎn)品失效的其它情況發(fā)生。
3熱載流子（Hot Carrier）：晶體管尺寸縮小并導(dǎo)致通道變短后，電場會被增強(qiáng)。熱載流子是在此現(xiàn)象發(fā)生后，所產(chǎn)生的極度活躍的移動電子。一般來說，這種短通道效應(yīng)發(fā)生在半導(dǎo)體晶體管中。
高溫存儲壽命測試
高溫存儲壽命（High Temperature Storage Life, HTSL）測試用于評估產(chǎn)品在高溫儲存條件下的可靠性。受擴(kuò)散、氧化、金屬間化合物形成、及封裝材料化學(xué)降解等因素影響，高溫儲存條件可能會對產(chǎn)品壽命產(chǎn)生影響。
耐久性和數(shù)據(jù)保留性能測試
耐久性測試用于評估NAND閃存等產(chǎn)品可以承受的編程/擦除（Program/Erase, P/E）周期的次數(shù)。對于NAND產(chǎn)品而言，一個關(guān)鍵的可靠性評估指標(biāo)是數(shù)據(jù)保留能力。該指標(biāo)衡量的是，在無電源供應(yīng)情況下的一定時間內(nèi)，數(shù)據(jù)在存儲單元中可保留的時長。
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。
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)的瞬時溫度變化時產(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，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。長時間的熱沖擊可用于驗證半導(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，焊點的重要性與日俱增，而熱循環(huán)也是評估焊點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間，建議通過測量打開防潮包裝后的吸濕量以模擬實際的使用環(huán)境。同時，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，較活潑的金屬易被腐蝕的電化學(xué)過程。
另一項評估是高加速應(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)計階段識別和糾正設(shè)計缺陷。
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實驗方式。
10正弦振動（Sine Vibration）：頻率隨時間而變化的振動。
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，產(chǎn)品的焊點問題和翹曲承受力。
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。值得一提的是，SK海力士不遺余力的堅持旗下產(chǎn)品始終采用最高可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并不斷超越客戶預(yù)期。未來，公司將緊隨不斷發(fā)展的技術(shù)趨勢，繼續(xù)完善和審查可靠性測試。
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