试验分析及设备应用服务

可靠性试验

环境试验

THB(温度、湿度、偏压测试)是为加速金属腐蚀的,尤其是为加速在die metallization中发生的腐蚀而进行的试验。存在杂质的状态下仅通过温度和湿度也足以促进金属的腐蚀,但为诱导电位差导致的腐蚀而使用偏压。THB的不良机制大约可分为三类腐蚀(Galvanic, Electrochemical、direct Chemical腐蚀)以及ion migration。

关于表面贴装器件(SMD),进行THB前经预处理后施加bias(Vcc max),在85°C、相对湿度85 %的条件下进行1000小时试验。施加bias应考虑使用者实际环境中的寿命,让它在各不相同的metallization之间尽量形成最大的电位差。进行实验中在所要求的时间进行一次中间测量(intermediate readout),确认是否有异常。

THB不良机制
THB不良机制

Summary of THB conditions

乾球温度(°C) 相对湿度1(% R.H) 濕球温度(°C) 蒸汽压(psia/kPa) 持续时间(小时)
85 ± 2 85 ± 5 81.0 7.12 (49.1) 1000

参考文献

  • JESD22-A101 “Steady State Temperature Humidity Bias Life Test”
THB chamber
THB chamber

TC(温度循环)是主要测试两个项目的试验——1)产品能否承受高温及低温条件;2)反复被曝光在高温和低温时受到什么样的影响。

反复性热机械负荷导致的不良现象属于疲劳失效(fatigue failure),TC正是加速这种疲劳失效的一种试验。热冲击试验也与TC一样加速疲劳失效的试验。试验流程如下:将试料安装于TC用chamber,反复曝光在规定水平的高温和低温。

最后循环完毕后以10~20倍率观察外观、lead、seal,最大以3倍率确认marking状态。 若外观、lead、seal等有被损伤或者难以区分mark,就判定为不合格。
除外观检查外,按产品规格进行电气试验,应检查有没有因TC而造成的不良。

◎ 热冲击或温度循环的应力因素
高温和低温之差(ΔT)
高温和低温移动时间
被暴露在高温和低温的时间

TC不良机制:die裂痕、package裂痕、neck/heel/wire破裂以及bond lifting等。

TC条件摘要

TC-JEDEC
试验条件 Nominal Ts(min)(°C) Nominal Ts(max)(°C)
A -55 +85
B -55 +125
C -65 +150
G -40 +125
H -55 +150
I -40 +125
J -0 +100
K -0 +1215
L -55 +110
M -40 +150
N -40 +85
R -25 +125
T -40 +100
  • 设置条件请参见参考文献
TS-Mil-Std-883
条件 温度 (°C)
A -55 (-10/+0) +85 (-0,+15)
B -55 (-10/+0) +125 (-0,+15)
C -65 (-10/+0) +150 (-0/+15)
D -65 (-10/+0) +200 (-0/+15)
E -65 (-10/+0) +300 (-0/+15)
F -65 (-10/+0) +175 (-0/+15)

参考文献

  • Mil-Std-883 Method 1010 “Temperature Cycling”
  • JESD22-A104 “Temperature Cycling”
两种chamber款式和空气循环式设备
两种chamber款式和空气循环式设备
SJR T/C
SJR T/C
PTC(Power and Temperature Cycle)适用于应在特定温度下运行on、off开关的半导体device上。
电压、温度循环试验中将device反复暴露在低温和高温,同时有规律的施加bias或完全去除bias,试验目的是评估其耐性。这种试验方法可看做是一种在正常使用范畴下device将会经历的模拟worstcase环境,属于破坏试验。
在试验过程中,向device反复施加5分钟power和5分钟休止,按规定次数循环施加bias的同时,同步进行温度循环测试。此时应该让device在最低或最高温度停留充分的时间,使整个试料质量能达到规定温度。(试料温度是指未施加bias的状态下所达到的温度)

PTC条件摘要

试验条件 温度最大值
(℃)
温度最大值之间的
替换时间(最长)
每个温度最大值
维持时间(至少)
A -40 (+0, -10) to +85 (+10,-0) 20 minutes 10 minutes
B -40 (+0, -10) to + 125 (+10, -0) 30 minutes 10 minutes
Summary of PTC conditions
温度循环和电压循环的周期不需同步化

参考文献

  • JESD22-A105 “Power and Temperature Cycling”

Thermal Shock试验主要评估产品对骤然的温度变化受到什么样的影响。试验从常温开始,反复经过规定次数的循环,被暴露在非常低的温度(或高温)和非常高的温度(或低温)较短的时间后再回到常温。最后一次的循环结束后,最好针对case和lead/terminal等进行外观检查(检查倍率为10~20)或者以3倍率确认marking是否正常。若难以确认Mark或者在case、lead中发现损伤就判定failure。

有关TS试验的不良机制有die cracking、package cracking、neck/heel/wire breaks、and bond lifting等。
新开发的产品一般进行1000cycle的试验,通过electrical test及200~500倍率的外观检查判定不良与否。

◎ 热冲击或温度循环的应力因素
高温和低温之差(ΔT)
高温和低温移动时间
暴露在高温和低温的时间

TS条件摘要

TS-JEDEC
条件 温度 (°C)
A -40 (-10/+0) 85 (-0/+10)
B 0 (-10/+0) 100 (-0/+10)
C -55 (-10/+0) 125 (-0/+10)
D -65 (-10/+0) 150 (-0/+10)
  • 共移动时间 < 20秒
  • 共维持时间应长于标本达到特定温度的时间
  • 在维持时间达到的特定温度
TS-Mil-Std-883
条件 温度 (°C)
A 0 (-10/+2) 100 (-2/+10)
B -55 (-10/+0) 125 (-0/+10)
C -60 (-10/+0) 150 (-0/+10)
  • 共移动时间 < 10秒
  • 共移动时间 > 2分钟
  • 特定温度达到时间 < 5分钟
  • 至少要进行15周期以上

参考文献

  • Mil-Std-883 Method 1011 “Thermal Shock”
  • JESD22-A106 “Thermal Shock”
热冲击试验箱
热冲击试验箱
高压、高湿试验可称为Autoclave试验或Pressure Cooker Test (PCT),是评估产品能否承受高温高湿环境的试验。尤其是像die metallization一样,为加速内部金属腐蚀而进行的一种测试。样品处于温度121 °C、相对湿度100 %、气压2atm的状态下接受168个小时的试验。表面贴装器件(SMD)产品在autoclave试验前将进行precondition,所谓precondition是指模拟营造将产品安装在board上工程的流程。Precondition可分为三个流程:干燥试料的bake环节、将水分恢复至规定水平的soak环节、Reflow环节。经过Precondition后进行特性试验,此时发现的不良不归类于autoclave failure,而归于precondition failure。Precondition不良表示产品承受不了在安装工程中发生的高温,这点归类于严重的问题。在进行Autoclave试验时,湿度将达到最大值,所以可能会发生electrical leakage。不过若没把该现象归为不良,就不会将此包含(count)在不良数量之中。只有把腐蚀或其他永久性损伤才能定义为PCT不良。

PCT条件摘要

乾球温度(°C) 相对湿度(% R.H) 持续时间(小时)
121 ± 2 100 96 (-0, +2)

参考文献

  • JESD22-A102 “Accelerated Moisture Resistance - Unbiased Autoclave”
TPCT 设备
TPCT 设备

HAST (Highly Accelerated Stress Test)是为弥补Temperature Humidity Bias (THB) Test较长的试验时间而开发的试验。THB的试验时间为1000小时,但HAST却在96~264小时内能得出结果。因此最近HAST被广泛使用。如同THB一样,HAST也加速die的metal line及 thin film resistor腐蚀。进行HAST前进行Precondition,在施加bias的状态下,在温度130°C、相对湿度85 %环境下进行96~264个小时的试验。

将试料放入chamber前一般loading在专用board上再进行试验。在试验中所使用的board设计得充分能承受HAST条件。(请参见图)
若特定工程发生变动,可能会影响到耐腐蚀性(corrosion resistance),还是建议HAST试验。即,不仅是新的fab process、package、site的移动,若molding compound、die glassivation、 metallization、thin film resistor等发生了变化,也需要HAST认证。

◎ 设置Bias条件
使Powerdissipation最小化,让水分留在Die表面。
对交叉的pin尽量施加相反的bias(low voltage和high voltage)
在能控制Power dissipation的范围内将Operating Voltage水平调到最大。

Summary of HATS条件摘要

乾球温度
(°C)
相对湿度1
(% R.H)
濕球温度
(°C)
蒸汽压
(psia/kPa)
持续时间
(小时)
A 130 ± 2 85 ± 5 124.7 33.3/230 96 (-0, +2)
B 110 ± 2 85 ± 5 105.2 17.7/122 264 (-0, +2)

Reference Documents

  • JESD22-A110 “Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test (HAST)
HAST试验箱及线路板
HAST试验箱及线路板
HTS(High Temperature Storage Test)是评估产品长时间贮存于高温时将受到什么样影响的试验。
不适用Electrical stress,与Stabilization Bake (Mil-Std-883 Method 1008)相似,但HTS试验需要更长时间(Stabilization Bake:24 h @ 150 °C)。并且相比于Stabilization Bake主要被用来screen的作用或其它试验的precondition,HTS的目的是评估产品long-term reliability(长时间的可靠性)的。
HTS试验时将试料在规定时间内暴露在规定温度之中。因此试验开始前试料温度应达到规定温度,试验结束后96小时内应进行test(外观检查或electrical test)。因HTS不适用electrical stress,所以替代不了burn-in试验,但从以温度此单一条件加速不良机制(例:oxidation、bond and lead finish intermetallic growths)的角度上說,也是非常有效的一种实验。
基本上以150 °C/1000 h为条件,可以适当调整温度和时间条件来进行具有各种目的的试验。
Low Temperature Storage(LTS)试验也是具有相同目的的试验,唯只有适用低温条件的一点不同。
除了贮存(storage)试验外,可以将此试验与data retention以及其他可靠性试验相结合,形成单一test sequence。

HTS条件摘要

HTS
条件 温度 (°C)
A +125 (-0/+10)
B +150 (-0/+10)
C +175 (-0/+10)
D +200 (-0/+10)
E +250 (-0/+10)
F +300 (-0/+10)
G +85 (-0/+10)
LTS
条件 温度 (°C)
A -40 (-10/+0)
B -55 (-10/+0)
C -65 (-10/+0)

参考文献

  • Mil Std 883, Method 1008 “Stabilization Bake”
  • JESD22-A103 “High Temperature Storage Life”
  • JESD22-A119 “Low Temperature Storage Life”
  • EIAJ ED-4701/200 test method 202 “Low Temperature Storage”
试验箱和试料装载状况
试验箱和试料装载状况
若Package形态各不相同,水分渗透和渗透的水分起到的影响也出现互不相同的特性。Through-hole形态的厚package与相对薄的SMDpackage相比,每单位体积吸收水分的速度较慢。水分渗透至Package并留在其内将引发一些问题——突然暴露在高温(如安装工程),水分会变成水蒸气,从而向package内部带来巨大stress的现象。因水分而发生的package crack被称为popcorn cracking。
通常表面贴装器件(SMD)因下面几点因素出现popcorn cracking的概率较高:
  • SMD产品厚度薄,以相对弱的力量也会发生分裂;
  • 容易吸收并维持水分;
  • 在SMD board mounting作业中molding compound暴露在高温。
暴露在空气之中的设备(吸收水分)→因回焊(Reflow)和容量扩大,被蒸发而吸收的水分将抑制爆米化现象。
因为按多种package形态popcorn cracking的发生程度会有所不同,因此设立了能在IPC/JEDEC区分湿度敏感度的标准。MSL用数字来标记,数字大表示popcorn cracking的发生概率高。譬如,MSL1表示无论暴露在湿度多长时间都具有很强的耐性;MSL5或6则表示与湿度有关的分裂发生概率最高。

MSL摘要

Level FLOOR LIFE SOAK REQUIREMENTS
STANDARD
TIME CONDITION TIME (hours) CONDITION
1 Unlimited ≤30 °C / 85 % R.H 168 +5 / -0 85 °C / 85 % R.H
2 1 year ≤30 °C / 60 % R.H 168 +5 / -0 85 °C / 60 % R.H
2a 4 weeks ≤30 °C / 60 % R.H 696 +5 / -0 30 °C / 60 % R.H
3 168 hours ≤30 °C / 60 % R.H 192 +5 / -0 30 °C / 60 % R.H
4 72 hours ≤30 °C / 60 % R.H 96 +2 / -0 30 °C / 60 % R.H
5 48 hours ≤30 °C / 60 % R.H 72 +2 / -0 30 °C / 60 % R.H
5a 24 hours ≤30 °C / 60 % R.H 48 +2 / -0 30 °C / 60 % R.H
6 Time on Label ≤30 °C / 60 % R.H TOL 30°C / 60% R.H

参考文献

  • JSTD-020 “Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices”

所谓Precondition,从广义上来说是指进行可靠性试验前实施的特定stress及process。在半导体可靠性叫做“precondition”,一般表示SMD产品安装工程的意思。在此试验中要确认安装于成品的SMD package可靠性,但很难将试料从产品分离出来。(不可避免物理性damage。)因此对单品状态的package施加在PCB组装(reflow)过程中发生的温度profile来准备试料(参考下图)。要提前指定好Moisture Sensitivity Level,按指定Level实施precondition。

因为按多种package形态popcorn cracking的发生程度会有所不同,因此设立了能在IPC/JEDEC区分湿度敏感度的标准。MSL用数字来标记,数字大表示popcorn cracking的发生概率高。譬如,MSL1表示无论暴露在湿度多长时间都具有很强的耐性;MSL5或6则表示与湿度有关的分裂发生概率最高。

규정된 MSL로 Soak 수준 결정→Reflow 3 cycles→출하제품과 동일한 상태→Temperature Humidity Bias Test/Highly Accelerated Stress Test/Temperature Cycle/Autoclave/Unbiased - HAST

于THB、HAST、TC、AC、UHST前实施预处理。

参考文献

  • JESD22-A113 “Preconditioning of Plastic Surface Mount Devices Prior to Reliability Testing”
  • JSTD-020 “Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices”
盐雾试验(Salt Atmosphere)是虚拟营造对产品及package造成影响的海岸环境,加速腐蚀的一种测试。该试验流程可分为两个阶段:首先喷雾盐溶液形成一种盐水雾,然后将产品暴露在一定时间。试验结束后用去离子水(D/I water)至少洗5分钟后以10~20倍率评估pitting、blistering、flaking、 corrosion等。

盐雾试验条件摘要

  • 配件暴露于盐水喷雾
  • 盐分:满足杂质条件的氯化钠
  • 盐分浓度:0.5 % - 3 % /重量/蒸馏水
  • 盐水喷雾温度:最低35 ℃
  • 32 - 38 ℃之间的暴露领域
  • pH: 在35℃ 6.5 - 7.2
试验条件 维持时间(小时)
A 24
B 148
C 96
D 240

参考文献

  • Mil-Std-883 Method 1009 “Salt Atmosphere (corrosion)”
  • JESD22-A107 “Salt Atmosphere”
试验器具
试验器具
HALT (Highly Accelerated Life Test)不同于传统可靠性试验,是崭新概念的一种设计见证试验。
该试验目的为从产品设计阶段就开始试验,找出脆弱部分的同时应用改善方案,降低市场上的return。该试验并非是虚拟营造Field环境的概念,而是为了尽量迅速找出脆弱部分并予以加速,通过低温、高温条件和轮流震动来加速weak point不良。
该试验流程可分为两个环节:首先让设计者参与 重要parameter指定,再按试验sequence监督特性。
若发现不良,找出不良点,再找出改善之处,最终确保产品margin。关键是通过设计者与测试者之间的协商,设计Test Plan的同时进行正确的试验(可改动目的的特性数值),并且若发生问题应该能够分析原因。QRT以25年来积累的可靠性技术以及秘诀,为您提供最适合HALT试验目的的试验服务。

HALT摘要

  • 不同阶段的应力试验-冷热
  • 不同阶段的应力试验-温热
  • 急速热变化应力试验
  • 不同阶段的振动应力试验
  • 综合环境应力试验
Rapid Thermal Transitions

参考文献

  • Mil-Std883 Method 2005 “Vibration Fatigue”
  • JESD22-B103B “Vibration, Variable Frequency”
HALT试验箱及试验夹具(Test JIG)
HALT试验箱及试验夹具(Test JIG)