质量测试旨在检验产品是否满足使用需求,聚焦于产品的可用性,一般采用非破坏性测试方式。而可靠性测试侧重于评估产品的耐用程度,探究其寿命及寿命的合理性,往往涉及破坏性测试或会对产品性能产生影响的测试手段 。可靠性试验作为关键评估方式,主要用于衡量产品在特定时间段内的可靠性水平,同时能够揭示潜在问题。其核心目标包含以下方面:1.在产品研制阶段,通过可靠性测试暴露试制产品存在的各类缺陷,从而推动产品设计的优化;2.于生产阶段,为生产过程监控提供数据支持,助力生产工艺的改进;3.针对定型产品开展可靠性鉴定或验收工作,为产品实现规模化生产奠定基础;
4.深入分析产品在不同环境与工作条件下的失效规律、失效模式及失效机理,进而有针对性5.为完善产品可靠性试验方案提供依据,同时也为用户选择产品提供参考。由于产品应用场景与使用环境存在差异,需根据实际情况选用适宜的可靠性试验方法。从可靠性定义出发,可靠性测试需明确规定相关条件,涵盖环境条件(如温度、湿度、振动等)、负载大小以及工作模式等;确定测试时间,以研究产品可靠度随时间变化的规律;明确产品功能,即全面考量所有功能与技术指标。
值得注意的是,产品可靠性本质上源于设计与制作环节,而非单纯依靠试验赋予。可靠性试验虽无法直接赋予产品可靠性,但能够有效降低用户使用风险。当下,新的可靠性评估趋势是将评估重点从产品转向生产线,因为优质的生产线能够将可靠性融入产品制造全过程。电子产品通常具有较长的使用寿命,且使用环境复杂多变。为在合理时间内完成可靠性测试,保障产品可靠性并控制测试成本,需针对不同环境条件开展常规测试或加速测试。从理论层面而言,加速试验应力水平的设定应以不改变产品失效机理为前提。压力锅蒸煮试验(PCT)是将被测样品置于高温、高湿(相对湿度 100%)且高压的严苛环境中进行测试,旨在评估样品耐受高湿环境的能力。该试验主要用于检测半导体封装对湿气的抵御性能。试验设备为特制压力锅,内部配备水加热器,可营造出 100% 相对湿度的环境。若半导体封装存在缺陷,湿气极易渗入封装体内部。其渗透路径主要包括:1)被 IC 芯片、引线框架 / 基板以及芯片黏结材料吸收的水分;
3)封装完成后,湿气会透过塑封料,或经塑封料与引线框架之间的间隙渗透。由于塑料与引线框架仅为机械结合,二者间不可避免会形成微小空隙,为湿气渗透提供通道。湿气侵入后,可能引发多种失效问题,如出现爆米花效应、金属化区域因腐蚀导致断路、封装体引脚间污染造成短路等封装故障,还可能致使 IC 芯片发生腐蚀失效。高温高湿电加速试验(THB)着重探究半导体器件在高湿度环境下的使用寿命。试验时,水分主要通过透湿密封材料与玻璃密封材料作为传输路径,渗透至半导体芯片,同时半导体处于通电状态,以此加速器件老化进程。该试验一般将温度设定为 85℃、相对湿度控制在 85% ,不过具体参数还需依据器件组成材料特性,适当调整为更低温度。与常规湿度测试不同,高温高湿电加速试验在器件通电状态下开展,能够检验因水与电场共同作用致使杂质电离(包括电偶腐蚀、离子迁移等现象),进而引发电化学反应时,器件的容错性能。湿度加速因子推导通常基于相对湿度模型与绝对蒸汽压模型。试验前,需综合考量器件自热效应,合理选择持续供电或间歇供电模式。试验过程中,为防止从试验箱取出试样时,因温度骤降导致密封玻璃表面凝结露水,需采取一系列防护措施,如及时清除试验箱高湿度空气循环通道内多余水分,待温度和湿度充分下降后再进行试样取出操作。高加速应力试验(HAST)主要模拟非气密器件在高温高湿环境下的工作场景,用于检验塑封产品抵御蒸汽侵入与腐蚀的能力。试验条件设定为温度 130℃、相对湿度 85%、压力 2atm,在最大偏压下持续测试 100 小时。该试验的失效机理在于,相较于常规高压蒸煮试验,偏置电压在潮湿的芯片表面,会加速铝线及键合区发生电化学腐蚀。同时,蒸汽携带的杂质与塑封体内本身存在的杂质,在电应力作用下,会在键合区附近以及塑封体内引脚间聚集,进而形成漏电通道。一般认为,24 小时的 HAST 试验效果大致等同于 1000 小时的 THB 试验。若在 HAST 试验中出现正常工作时不会发生的失效现象(如塑封体内部出现分离),则表明当前 HAST 加速条件过于严苛,失去试验有效性。半导体封装是由多种材料构成的复杂结构体系,每种材料都具备独特的热膨胀系数。当温度发生变化时,材料间会产生机械应力。若半导体器件反复经历高温与低温环境,就会不断地膨胀与收缩,导致机械应力周期性产生。温度循环试验正是为了检验器件对这类应力的耐受能力,以及评估其使用寿命。该试验能够有效检测出热膨胀系数差异较大的两种材料粘结部位,是否存在剥落等失效问题。功率和温度循环(PTC)通过周期性改变半导体器件的运行状态与温度环境,来测试器件在极端温度条件下的耐受性能,属于复合测试评估方法,近年来备受关注,常用于评估器件互联可靠性。在试验过程中,监测器件运行状态与连接可靠性,可实现从低温到高温全温度范围测试。试验对象为半导体器件,在整个温度范围内,需确保器件电源按运行要求开启或关闭。此测试尤其适用于在温度变化剧烈环境(如室外环境)下使用的产品。试验过程中,可能出现以下失效模式与可靠性问题:因组成材料热膨胀系数不同,导致器件断裂或破损;连接部位可靠性下降;环境温度变化时,通电或断电引发局部瞬间过热;冷启动过程中出现故障等。高温工作寿命试验(HTOL)用于确定半导体器件在高温且施加偏压的加速条件下的运行寿命。试验环境温度一般选取 125℃或 150℃(需确保结温在器件极限范围内)。该试验核心目的是验证在电场、电流与温度协同加速的失效机制下,器件的使用寿命。除了与机械强度、湿度及静电放电相关的失效情况,高温工作寿命试验对多数失效模式都具有良好的检测效果。温度相关的加速效果依据阿伦尼乌斯定律确定;通常,电压相关的加速因子不仅取决于电压大小,还与电场强度密切相关。2003 年,美国电子工程联合会(JEDEC)针对便携式电子产品跌落测试,发布了 JESD22 - B111《手持式电子产品板级跌落测试方法》标准。该标准对测试用电路板尺寸规格、元器件布局方式、加载速度参数、跌落条件设置以及测试步骤流程等内容,均作出了详细且明确的规定。自该标准颁布后,国内外研究人员在开展板级跌落试验研究时,大多以此标准作为参考依据。
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