芯片质量与可靠性测试
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优秀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。
Quality 就是产品性能的测量,它回答了一个产品是否合乎SPEC的要求, 是否符合各项性能指标的问题;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Quality解决的 是现阶段的问题,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,who knows? 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
MIT-STD-883E Method 1005.8 JESD22-A108-A EIAJED- 4701-D101
等等,这些标准林林总总,方方面面,都是建立在长久以来IC设计,制造和使用的经验 的基础上,规定了IC测试的条件,如温度,湿度,电压,偏压,测试方法等,获得标准 的测试结果。这些标准的制定使得IC测试变得不再盲目,变得有章可循,有法可依, 从而很好的解决的what,how的问题。而Where的问题,由于Reliability的测试需要 专业的设备,专业的器材和较长的时间,这就需要专业的测试单位。这种单位提供专业 的测试机台,并且根据国际标准进行测试,提供给客户完备的测试报告,并且力求准确的 回答Reliability的问题
在简单的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,如图所示
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 EOS,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 Product Level reliability test items
>Robustness test items ESD, Latch-up
对于Robustness test items 听到的ESD,Latch-up 问题,有很多的精彩的说 明,这里就不再锦上添花了。下面详细介绍其他的测试方法。
>Life test items
EFR, OLT (HTOL), LTOL
EFR: Early fail Rate Test
Purpose: 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。
Test condition: 在特定时间内动态提升温度和电压对产品进行测试 Failure Mechanisms: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 Reference:具体的测试条件和估算结果可参考以下标准 MIT-STD-883E Method 1015.9 JESD22-A108-A EIAJED- 4701-D101
HTOL/ LTOL:High/ Low Temperature Operating Life
Purpose: 评估器件在超热和超电压情况下一段时间的耐久力 Test condition: 125?C,1.1VCC, 动态测试
Failure Mechanisms:电子迁移,氧化层破裂,相互扩散,不稳定性,离子 玷污等
Reference: 简单的标准如下表所示,125?C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?C 测试保证使用 8年,2000小时保证使用28年。
125?C 150?C 1000 hrs 4 years 8 years 2000 hrs 8 years 28 years
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
>Environmental test items
PRE-CON, THB, HAST, PCT, TCT, TST, HTST, Solderability Test, Solder Heat Test
PRE-CON: Precondition Test
Purpose: 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。 Test Flow:
Step 1: SAM (Scanning Acoustic Microscopy) Step 2: Temperature cycling
- 40?C(or lower) ~ 60?C(or higher) for 5 cycles to simulate shipping conditions Step 3: Baking
At minimum 125?C for 24 hours to remove all moisture from the package Step 4: Soaking
Using one of following soak conditions
-Level 1: 85?C / 85%RH for 168 hrs (多久都没关系)
-Level 1: 85?C / 60%RH for 168 hrs (一年左右) -Level 1: 30?C / 60%RH for 192 hrs (一周左右) Step5: Reflow
240?C (- 5?C) / 225?C (-5?C) for 3 times (Pb-Sn) 245?C (- 5?C) / 250?C (-5?C) for 3 times (Lead-free) * choose according the package size
Failure Mechanisms: 封装破裂,分层
Reference: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