可靠性测试以及效应分析

2019/11/7可靠性测试以及失效分析2019/11/71可靠性测试与失效分析可靠性的基本概念2019/11/72可靠性测试与失效分析前言1.前言质量（Quality）与可靠性（Reliability）是IC产品的生命，良好的品质及使用的耐力是一颗优秀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，以及哪里去验证，验证后的结果分析(Failureanalysis),如何进行提高(Improvement).如果解决了这些问题，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，客户才会放心地使用产品。本文中将介绍可靠性的定义,测试方法和标准,失效机理以及失效分析方法。2019/11/73可靠性测试与失效分析质量与可靠性2.质量与可靠性质量是一组固有特性满足要求的程度质量是对满足程度的描述，满足要求的程度的高低反映为质量的好坏，在比较质量的优劣时，应当注意在同一等级上进行比较。可靠性:产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力可靠性的概率度量称可靠度(即完成规定功能的概率)。产品或产品的一部分不能或将不能完成规定功能(Spec)的事件或状态称故障，对电子元器件来说亦称失效。2019/11/74可靠性测试与失效分析质量与可靠性质量与可靠性的相关性质量提高，器件的一致性变好(如参数分布等)器件的一致性更好，可靠性则更均匀(uniform)。质量缺陷的问题被解决，则该缺陷引起的可靠性失效则不会发生。更进一步说，高质量等于高可靠性。2019/11/75可靠性测试与失效分析可靠性试验3.可靠性试验可靠性试验是评估产品一定时间内可靠性水平,暴露存在的问题。规定条件—环境条件(温度/湿度/振动等)，负载大小，工作方式等。规定时间—随时间推移，产品可靠度下降。规定功能—所有功能和技术指标。可靠性是设计并制作在产品内的，而不是试验出来的。可靠性试验只能降低用户的风险。新的可靠性评估方法是改评估产品为评估生产线，相信合格的生产线能把可靠性做到产品中去。2019/11/76可靠性测试与失效分析失效率4.失效率(Failurerate)失效率是可靠性测试中最关键的参数。失效率某时刻尚未失效的器件继续工作下去时在单位时间内失效的几率。通常以FIT（FailureInTime）作单位，1FIT=10亿个产品1小时内失效1个或1000小时内1ppm的失效率。失效率的倒数表示两个失效之间的间隔时间，即MTBF（MeanTimeBetweenFailure）。2019/11/77可靠性测试与失效分析失效率例有100块IC，在1000小时内失效5块，在1000～1010小时失效38块，求t＝1000，和t＝1010h的失效率的估计值？λ(0）＝5/1000(100-0)=5×10－5/h＝50000Fitλ(1000)＝38/(1010-1000)(100-5)＝0.4%h－12019/11/78可靠性测试与失效分析失效率失效率曲线示意图(Bathtubcurve)TimeFailureRateInfantMortalityProductLifeTimeWearOutCommercial5yearsIndustrial10yearsAutomotive10-20yearsCustomVarious随机失效早期失效有用寿命期磨损失效2019/11/79可靠性测试与失效分析失效率早期失效：产品本身存在的缺陷（设计缺陷/工艺缺陷）造成，改进设计/材料/工艺的质量管理，可明显改善早期失效率偶然失效：失效率低且稳定，不当应用是失效主要原因耗损失效：磨损、老化、疲劳等引起产品性能恶化。如缓慢的化学变化使材料退化，压焊点氧化等2019/11/710可靠性测试与失效分析失效率TierTypicalApplicationUse-TimePower-OnHoursExamplesofTypicalApplicationsCommercial5yearsParttimePC’s,consumerelectronics,portabletelecomproducts,PDA’s,etc.Industrial10yearsParttime/FulltimeInstalledtelecomequipment,workstations,servers,warehouseequipment,etc.Automotive10-20yearsParttime/Fulltime“underthehood”,drivetraincontrol,orsafetyequipmentCustomVariousParttime/FulltimeApplicationswithspecificcustomerrequirements2019/11/711可靠性测试与失效分析失效机理5.失效机理热效应金线热疲劳而断开、塑封体裂纹引起密封性失效、粘片层空洞引起热阻增大、钝化层开裂、芯片开裂、铝再结构造成开/短路、键合处出现紫斑开路等化学效应引脚腐蚀、塑封/界面/裂纹吸湿引起铝线腐蚀/键合区电化学腐蚀、水汽带入的离子引起漏电、塑封体中的杂质离子引起漏电等电效应强电场导致栅氧击穿/MOS电容击穿、大电流发热导致多晶电阻烧毁/PN结区硅烧熔/金属间电弧/铝烧熔/塑封碳化等。机械应力振动、加速度、应力等2019/11/712可靠性测试与失效分析抽样数和可接受失效数6.抽样数和可接受失效数抽样数和可接受失效数由可接受的产品不合格质量水平及可信度推算。通常的抽样77pcs允许1pc失效对应的可接受不合格质量水平的不合格率为5%/1000hrs(50ppm)2019/11/713可靠性测试与失效分析可靠性测试2019/11/714可靠性测试与失效分析可靠性工程师工作内容1.可靠性工程师工作内容样品准备可靠性测试失效分析数据处理与归档2019/11/715可靠性测试与失效分析试验种类2.试验种类环境试验温度循环/冲击、高压蒸煮、加速湿热、盐雾、耐焊接热、高温储存寿命试验早期失效率、动态/静态/间歇高温寿命试验机械试验振动/冲击、加速度、可焊性、键合强度ESD/Latch-up测试2019/11/716可靠性测试与失效分析可靠性测试计算工作3.可靠性测试计算工作可靠性试验参照标准加速试验加速因子的计算加速环境应力与失效机理的对应关系工艺/封装/设计变动与可靠性试验选择样品数量/批次的选择2019/11/717可靠性测试与失效分析高温工作寿命4.圆片工艺相关的可靠性试验§4.1高温工作寿命(HTOL/Burn-in)目的：考核产品在规定条件下全工作时间内的可靠性，发现热/电压加速失效机理，预估长期工作的失效率。条件：125oC（或使结温等于额定值），Vddmax,168hrs（消除早期失效元件，把元件带到随机失效区）1000hrs（进入有用寿命期，试验时间长短对应有用寿命期长短）。失效机理：高温下芯片表面和内部的杂质加速反应，缺陷进一步生长，使器件性能退化。可动离子富集导致的表面沟道漏电，结特性退化，电场加速介质击穿，高温加速电迁移等。对大功率器件，可采用常温功率负荷的方式使结温达到额定值。检验电迁移问题，采用大电流高温加速。2019/11/718可靠性测试与失效分析高温工作寿命早期失效实例2019/11/719可靠性测试与失效分析高温工作寿命ConfidenceLevel=60%,Samplesize=77,Failureallowed:1,Ea=0.7eV125℃→55℃150℃→55℃TestTimeFailureRateLifeTtmeTestTimeFailureRateLifeTtme168hours2020FIT0.7years168hours599FIT2years500hours674FIT2years500hours201FIT7years1000hours337FIT4years1000hours100FIT14years2000hours169FIT8years2000hours50FIT28years2019/11/720可靠性测试与失效分析高温储存§4.2高温储存(HTST)目的：考核无电应力情况下，长期高温存储对产品的影响。条件：150oC，1000hrs。失效机理：因扩散导致硅铝共熔形成硅化物而使接触电阻增大直致开路、金铝键合因形成合金而退化（紫斑）、高温下钛阻挡层缺陷、塑封料高温下加速老化导致绝缘/防护性能劣化或释放杂质、表面沾污高温下加速腐蚀。现在的半导体器件稳定性已很高，该试验已不足以暴露问题。2019/11/721可靠性测试与失效分析表面贴装器件的预处理5.封装可靠性试验§5.1表面贴装器件的预处理（Precondition）目的：模拟表面贴装器件被运输/储存/再流焊到PCB上的过程条件：T/C(-40oC~60oC，5cycles，模拟空运)→Bake（125oC，24hrs，去除湿气)→MoistureSoak（模拟打开防潮包装后的储存，条件由MSL定，1:85oC/85%RH，168hrs；2:85oC/60%RH，168hrs）→Reflow(3cycle，模拟回流焊，条件与是否无铅工艺/塑封大小有关)→ET/SAT失效机理：因富集在塑封体内各界面的水汽在表贴过程中迅速膨胀及材料的不匹配而导致界面分层或塑封体开裂，影响产品可靠性，严重时可导致开路。2019/11/722可靠性测试与失效分析表面贴装器件的预处理2019/11/723可靠性测试与失效分析表面贴装器件的预处理2019/11/724可靠性测试与失效分析温度循环/冲击2019/11/725可靠性测试与失效分析温度循环/冲击§5.2温度循环/冲击（T/C，T/S）目的：模拟环境温度变化或开关机造成的温度变化，考核温度交替变化对产品机械/电性能的影响，暴露粘片/键合/塑封等封装工艺/材料缺陷，及金属化/钝化等圆片工艺问题。条件：-65oC~150oC,气体-气体,15min-50sec-15min,100/500cycle,液体--液体（碳氟化物）,5min-3sec-5min（热冲击）。失效机理：不同材料间热膨胀系数差异造成界面热匹配问题，造成金线断裂、键合脱落（开路）、塑封开裂（密封性失效）、界面分层（热阻增大）、铝线再结构（开短路）、钝化层开裂、硅铝接触开路、芯片背面划痕继续长大导致芯片开裂。2019/11/726可靠性测试与失效分析温度循环/冲击2019/11/727可靠性测试与失效分析高温蒸煮§5.2高温蒸煮(PCT/PTH/Autoclave)目的：检验器件抵抗水汽侵入及腐蚀的能力，不包括外部腐蚀。条件：121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs。失效机理：湿气通过塑封体及各界面被吸入并到达芯片表面,在键合区形成原电池而加速铝的腐蚀。另外，水汽带入的杂质在器件表面形成漏电通道。试验后因管脚腐蚀引起的开路或塑封体表面漏电等失效不计。2019/11/728可靠性测试与失效分析高温蒸煮LEADRESINMATERIALCHIPINTERNALWIREPENETRATIONTHROUGHTHERESINMATERIALINTERFACEPENETRATIONPenetrationpathsofwaterintoaplasticencapsulatedIC2019/11/729可靠性测试与失效分析高温蒸煮2019/11/730可靠性测试与失效分析高温高湿电加速§5.3高温高湿电加速（THB/HAST）目的：模拟非密封器件在高温高湿环境下工作，检验塑封产品抗水汽侵入并腐蚀的能力。条件：THB85oC/85%RH，Vccmaxstaticbias，1000hrsHAST130oC/85%RH/2atm，Vccmaxbias，100hrs。失效机理：相对高压蒸煮，偏置电压在潮湿的芯片表面加速了铝线及键合区的电化学腐蚀。同时，水汽带入的杂质及塑封体内