【導讀】本系列文章詳細介紹了半導體后端工藝，涵蓋了從不同類(lèi)型的半導體封裝、封裝工藝及材料等各個(gè)方面。作為本系列的收篇之作，本文將介紹半導體的可靠性測試及標準。除了詳細介紹如何評估和制定相關(guān)標準以外，還將介紹針對半導體封裝預期壽命、半導體封裝在不同外部環(huán)境中的可靠性，及機械可靠性等評估方法。
本系列文章詳細介紹了半導體后端工藝，涵蓋了從不同類(lèi)型的半導體封裝、封裝工藝及材料等各個(gè)方面。作為本系列的收篇之作，本文將介紹半導體的可靠性測試及標準。除了詳細介紹如何評估和制定相關(guān)標準以外，還將介紹針對半導體封裝預期壽命、半導體封裝在不同外部環(huán)境中的可靠性，及機械可靠性等評估方法。
什么是產(chǎn)品可靠性？
半導體產(chǎn)品的質(zhì)量取決于其是否可以充分滿(mǎn)足指定的標準及特性；而半導體產(chǎn)品的可靠性，是指在一定時(shí)間內無(wú)故障運行，從而提高客戶(hù)滿(mǎn)意度和復購率的能力。以此為前提，失效是指在產(chǎn)品使用過(guò)程中發(fā)生的故障，而缺陷是指在產(chǎn)品制造或檢驗過(guò)程中發(fā)生的錯誤。因此，產(chǎn)品缺陷屬于質(zhì)量問(wèn)題，而產(chǎn)品在保修期內頻繁出現故障則屬于可靠性問(wèn)題。
圖1：質(zhì)量與可靠性的區別（? 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別。具體來(lái)講，可靠性是指系統、零件或材料在特定的時(shí)間、距離或使用頻次下，保持初始質(zhì)量和性能的能力。要滿(mǎn)足這一點(diǎn)，就必須要求產(chǎn)品在指定條件下，如規定使用方式或特定的環(huán)境因素中保持無(wú)故障運行狀態(tài)。因此，半導體企業(yè)在產(chǎn)品量產(chǎn)前，必須先評估產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是否達到行業(yè)標準。此外，在產(chǎn)品量產(chǎn)期間，企業(yè)也應定期檢查產(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準。舉例來(lái)說(shuō)，如果一家企業(yè)準備出貨100件產(chǎn)品，那么該企業(yè)則需要考慮以下問(wèn)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(cháng)時(shí)間？
驗證這些標準需進(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(cháng)期限的測試，以確保其在不同時(shí)間范圍內的可靠性。但如果將大量時(shí)間花費在產(chǎn)品評估上，會(huì )使產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)間大幅度推遲。因此，企業(yè)通常會(huì )采用加速測試和統計技術(shù)來(lái)評估可靠性，此外，還可以通過(guò)可靠性函數、產(chǎn)品壽命分布、及平均壽命等計算方式，在較短時(shí)間內完成可靠性驗證。
國際半導體標準化組織(JEDEC)標準
半導體設計和制造企業(yè)可以自行評估旗下產(chǎn)品的可靠性，并將評估結果提供給客戶(hù)，客戶(hù)可根據評估結果來(lái)判定產(chǎn)品是否滿(mǎn)足其需求，或自行開(kāi)展可靠性評估測試。但如果半導體企業(yè)和客戶(hù)采用的評估標準存在差異，那么雙方就不得不對標準進(jìn)行統一，而這是一項非常耗時(shí)的工作。作為解決方案，半導體企業(yè)通常會(huì )采納“國際半導體標準化組織旗下固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )1”（簡(jiǎn)稱(chēng)JEDEC）規定的標準，來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足企業(yè)及客戶(hù)的需求。
1JEDEC旗下固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )（JEDEC Solid State Technology Association）：為微電子行業(yè)制定統一標準和出版物的領(lǐng)導機構。
JEDEC的主要職責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）等電子設備的統一標準。隨著(zhù)其所制定的標準被廣泛視為國際標準，JEDEC已成為實(shí)際意義上的全球半導體行業(yè)標準制定機構。
該組織董事會(huì )（Board of Directors, BoD）負責決定政策和程序，并擁有JEDEC標準的最終審批權。此外，JEDEC下設眾多委員會(huì )（JEDEC Committee, JC），為各自擅長(cháng)的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域制定標準。其中，部分重要的服務(wù)半導體行業(yè)的委員會(huì )及其職責為：JC-14固態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性委員會(huì )，負責為固態(tài)產(chǎn)品制定相關(guān)標準；JC-11機械標準化委員會(huì )，負責制定模塊及半導體封裝外觀(guān)標準；JC-42固態(tài)存儲器委員會(huì )，負責制定DRAM標準；JC-63多芯片封裝委員會(huì )，負責制定移動(dòng)多芯片封裝標準。
如果某企業(yè)想要為旗下產(chǎn)品制定標準，首先可以提交標準提案，由相應的委員會(huì )成員進(jìn)行投票表決。無(wú)論規模大小，每家企業(yè)均有一票投票權。委員會(huì )投票通過(guò)后，標準提案還需經(jīng)由董事會(huì )投票再次表決，兩輪投票通過(guò)后，提案將被確立為JEDEC標準，并向各行業(yè)公示。
評估產(chǎn)品壽命的可靠性測試
除國際評估標準外，還有許多用于評估產(chǎn)品可靠性的指標，包括評估半導體產(chǎn)品壽命的指標。
早期失效率
早期失效率（Early Failure Rate, EFR）用于估算產(chǎn)品在用戶(hù)使用環(huán)境下，一年內發(fā)生的設備故障次數。對于某些產(chǎn)品而言，由于系統壽命不同，或要求更高標準的產(chǎn)品可靠性，這一期限可短至六個(gè)月或延長(cháng)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。測試條件根據相關(guān)半導體產(chǎn)品的溫度及電壓加速因子進(jìn)行設定和評估。
2老化測試（Burn-in）：是指對產(chǎn)品施加電壓和溫度應力，以便在早期階段消除產(chǎn)品潛在缺陷的測試。封裝后執行的老化測試被稱(chēng)為“老化中測試（TBDI）”。
圖2：浴盆曲線(xiàn)中的早期失效率（EFR）區，及產(chǎn)品失效率隨時(shí)間發(fā)生變化的三個(gè)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(jiàn)的產(chǎn)品壽命評估類(lèi)型之一，旨在評估產(chǎn)品在使用期間由溫度和電壓應力引起的問(wèn)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(shí)可以識別由事故或損耗造成的失效問(wèn)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致通道變短后，電場(chǎng)會(huì )被增強。熱載流子是在此現象發(fā)生后，所產(chǎn)生的極度活躍的移動(dòng)電子。一般來(lái)說(shuō)，這種短通道效應發(fā)生在半導體晶體管中。
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(huì )對產(chǎn)品壽命產(chǎn)生影響。
耐久性和數據保留性能測試
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。對于NAND產(chǎn)品而言，一個(gè)關(guān)鍵的可靠性評估指標是數據保留能力。該指標衡量的是，在無(wú)電源供應情況下的一定時(shí)間內，數據在存儲單元中可保留的時(shí)長(cháng)。
各種外部環(huán)境條件下的可靠性測試
導致半導體產(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。
預處理測試
完成產(chǎn)品裝運和儲存后，可通過(guò)預處理測試來(lái)評估客戶(hù)使用過(guò)程中可能出現的問(wèn)題，如吸濕性（Hygroscopic）4和熱應力等影響產(chǎn)品可靠性的因素。預處理通過(guò)模擬產(chǎn)品在出售、運送給客戶(hù)的過(guò)程中、打開(kāi)真空包裝，及系統安裝等各個(gè)環(huán)節的狀態(tài)，評估其在潮濕條件下的可靠性。預處理是環(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象。在半導體行業(yè)內，此現象會(huì )導致半導體器件失效。
評估順序依次為熱循環(huán)、烘烤、吸熱、回流焊。圖3展示了將預處理測試應用于封裝、運輸和系統安裝環(huán)節等的流程。
圖3 生產(chǎn)、運輸和使用與預處理測試條件的關(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(hù)環(huán)境中，可能出現的瞬時(shí)溫度變化時(shí)產(chǎn)品的耐受性。半導體封裝和模塊由不同材料組成，而不同材料的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）5各不相同，這會(huì )導致由于應力作用而引起的疲勞失效，這種應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（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)，半導體封裝承受應力的能力，但高溫和低溫應力也可能導致許多其它失效問(wèn)題。長(cháng)時(shí)間的熱沖擊可用于驗證半導體各種封裝材料因應力和熱膨脹因素，造成的界面分層（Interfacial Delamination）6、內外封裝裂紋、芯片裂紋的可能性。此外，由于綠色產(chǎn)品法規對鉛等有害物質(zhì)使用的限制，以及便攜式移動(dòng)設備等應用領(lǐng)域的擴展，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(guò)測量打開(kāi)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(guò)向產(chǎn)品施加電偏壓（Electrical Bias）7的方法來(lái)評估其防潮性能。盡管大多數失效原因是由鋁腐蝕引起的，但溫度應力也會(huì )造成其它潛在問(wèn)題。該測試還可以用于檢測其它封裝可靠性問(wèn)題，例如濕氣滲入引線(xiàn)間細小空隙或模塑孔而引發(fā)的焊盤(pán)金屬腐蝕問(wèn)題，以及濕氣透過(guò)保護膜空隙滲入而導致的失效問(wèn)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，其測試標準相較于溫濕度貯存測試和溫濕度偏壓測試更為嚴格。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(guò)濕氣滲透來(lái)評估模塑材料的耐濕性以及模塑結構的可靠性。此外，該測試還可以用于檢測由引線(xiàn)及模塑通孔間濕氣滲透所導致的產(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(huì )蒸發(fā)，從而增加壓力和濕度，為高壓容器內的樣品創(chuàng )造必要條件。
類(lèi)似于溫濕度儲存測試，高壓爐測試曾是用于厚半導體封裝可靠性測試的重要方法。然而，從目前JEDEC的評估結果及最新的國際趨勢來(lái)看，高壓爐測試對于當前的封裝來(lái)說(shuō)，應力幅度過(guò)大。因此，這項測試方法需根據封裝類(lèi)型有選擇性地使用。高壓爐測試主要用于引線(xiàn)框架產(chǎn)品，而無(wú)偏壓高加速應力測試（UHAST）主要應用于基板產(chǎn)品。
無(wú)偏壓的高加速應力測試、高加速應力測試和高加速壽命測試
無(wú)偏壓高加速應力測試（UHAST）是通過(guò)對薄封裝的基底類(lèi)型產(chǎn)品，如細間距球柵陣列封裝（FBGA）產(chǎn)品施加與高壓爐測試相似的應力，來(lái)評估產(chǎn)品可靠性。這兩項測試在識別和發(fā)現產(chǎn)品失效類(lèi)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(lái)施加應力；而無(wú)偏壓高加速應力測試，則采用與用戶(hù)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）：一種當較活潑的陽(yáng)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(guò)程。
另一項評估是高加速應力測試（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，繼續向其施加溫度、濕 濕度及壓力應力。最后是高加速壽命測試（HALT），這是一種快速應力測試，有助于在產(chǎn)品設計階段識別和糾正設計缺陷。
機械因素可靠性測試
半導體產(chǎn)品在搬運、儲存、運輸和運行過(guò)程中，會(huì )受到機械、氣候和電氣因素造成的環(huán)境壓力，這些負荷會(huì )嚴重影響產(chǎn)品的設計可靠性。因此，有必要對開(kāi)發(fā)中或批量生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行評估，以監測此類(lèi)異常情況。在評估過(guò)程中，制造商可對產(chǎn)品施加振動(dòng)、沖擊或跌落等物理應力。
沖擊測試
沖擊測試通過(guò)模擬產(chǎn)品在搬運和運輸中可能受到的沖擊，來(lái)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。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(hù)的實(shí)際工作環(huán)境。
振動(dòng)、彎曲和扭轉測試
振動(dòng)測試是用于產(chǎn)品在運輸期間可能發(fā)生振動(dòng)的抵抗力評估，通常采用符合JEDEC標準的正弦振動(dòng)（Sine Vibration）10實(shí)驗方式。
10正弦振動(dòng)（Sine Vibration）：頻率隨時(shí)間而變化的振動(dòng)。
其它測試還包括彎曲測試和扭轉測試。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；扭轉測試也被稱(chēng)為扭曲或扭矩測試，用于評估受到扭轉應力時(shí)，產(chǎn)品的焊點(diǎn)問(wèn)題和翹曲承受力。
確保提供可靠的半導體產(chǎn)品
本篇文章所介紹的可靠性測試及標準，是確保這些重要元件符合當今科技世界嚴苛標準的根基。從環(huán)境條件測試、機械因素測試，到產(chǎn)品壽命測試等各項評估方法，皆體現了半導體行業(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準，并不斷超越客戶(hù)預期。未來(lái)，公司將緊隨不斷發(fā)展的技術(shù)趨勢，繼續完善和審查可靠性測試。
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