半導(dǎo)體封裝的可靠性測試及標(biāo)準(zhǔn)介紹

本文將介紹半導(dǎo)體的可靠性測試及標(biāo)準(zhǔn)。除了詳細(xì)介紹如何評(píng)估和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以外，還將介紹針對(duì)半導(dǎo)體封裝預(yù)期壽命、半導(dǎo)體封裝在不同外部環(huán)境中的可靠性，及機(jī)械可靠性等評(píng)估方法。

什么是產(chǎn)品可靠性？

半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量取決于其是否可以充分滿足指定的標(biāo)準(zhǔn)及特性；而半導(dǎo)體產(chǎn)品的可靠性，是指在一定時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行，從而提高客戶滿意度和復(fù)購率的能力。以此為前提，失效是指在產(chǎn)品使用過程中發(fā)生的故障，而缺陷是指在產(chǎn)品制造或檢驗(yàn)過程中發(fā)生的錯(cuò)誤。因此，產(chǎn)品缺陷屬于質(zhì)量問題，而產(chǎn)品在保修期內(nèi)頻繁出現(xiàn)故障則屬于可靠性問題。

▲ 圖1：質(zhì)量與可靠性的區(qū)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(qū)別。具體來講，可靠性是指系統(tǒng)、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。要滿足這一點(diǎn)，就必須要求產(chǎn)品在指定條件下，如規(guī)定使用方式或特定的環(huán)境因素中保持無故障運(yùn)行狀態(tài)。因此，半導(dǎo)體企業(yè)在產(chǎn)品量產(chǎn)前，必須先評(píng)估產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，在產(chǎn)品量產(chǎn)期間，企業(yè)也應(yīng)定期檢查產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

評(píng)估產(chǎn)品可靠性最為重要的一步，是事先明確可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，如果一家企業(yè)準(zhǔn)備出貨100件產(chǎn)品，那么該企業(yè)則需要考慮以下問題：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(yùn)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時(shí)間？

驗(yàn)證這些標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)行測試。理想情況下，產(chǎn)品需接受三年期、五年期甚至更長期限的測試，以確保其在不同時(shí)間范圍內(nèi)的可靠性。但如果將大量時(shí)間花費(fèi)在產(chǎn)品評(píng)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(tǒng)計(jì)技術(shù)來評(píng)估可靠性，此外，還可以通過可靠性函數(shù)、產(chǎn)品壽命分布、及平均壽命等計(jì)算方式，在較短時(shí)間內(nèi)完成可靠性驗(yàn)證。

國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化組織（JEDEC）標(biāo)準(zhǔn)

半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造企業(yè)可以自行評(píng)估旗下產(chǎn)品的可靠性，并將評(píng)估結(jié)果提供給客戶，客戶可根據(jù)評(píng)估結(jié)果來判定產(chǎn)品是否滿足其需求，或自行開展可靠性評(píng)估測試。但如果半導(dǎo)體企業(yè)和客戶采用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)存在差異，那么雙方就不得不對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，而這是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作。作為解決方案，半導(dǎo)體企業(yè)通常會(huì)采納“國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化組織旗下固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)1”（簡稱JEDEC）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，來同時(shí)滿足企業(yè)及客戶的需求。

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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和出版物的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。

JEDEC的主要職責(zé)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(shè)備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。隨著其所制定的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛視為國際標(biāo)準(zhǔn)，JEDEC已成為實(shí)際意義上的全球半導(dǎo)體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)。

該組織董事會(huì)（Board of Directors, BoD）負(fù)責(zé)決定政策和程序，并擁有JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的最終審批權(quán)。此外，JEDEC下設(shè)眾多委員會(huì)（JEDEC Committee, JC），為各自擅長的專業(yè)領(lǐng)域制定標(biāo)準(zhǔn)。其中，部分重要的服務(wù)半導(dǎo)體行業(yè)的委員會(huì)及其職責(zé)為：JC-14固態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性委員會(huì)，負(fù)責(zé)為固態(tài)產(chǎn)品制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；JC-11機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，負(fù)責(zé)制定模塊及半導(dǎo)體封裝外觀標(biāo)準(zhǔn)；JC-42固態(tài)存儲(chǔ)器委員會(huì)，負(fù)責(zé)制定DRAM標(biāo)準(zhǔn)；JC-63多芯片封裝委員會(huì)，負(fù)責(zé)制定移動(dòng)多芯片封裝標(biāo)準(zhǔn)。

如果某企業(yè)想要為旗下產(chǎn)品制定標(biāo)準(zhǔn)，首先可以提交標(biāo)準(zhǔn)提案，由相應(yīng)的委員會(huì)成員進(jìn)行投票表決。無論規(guī)模大小，每家企業(yè)均有一票投票權(quán)。委員會(huì)投票通過后，標(biāo)準(zhǔn)提案還需經(jīng)由董事會(huì)投票再次表決，兩輪投票通過后，提案將被確立為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，并向各行業(yè)公示。

評(píng)估產(chǎn)品壽命的可靠性測試

除國際評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)外，還有許多用于評(píng)估產(chǎn)品可靠性的指標(biāo)，包括評(píng)估半導(dǎo)體產(chǎn)品壽命的指標(biāo)。

早期失效率

早期失效率（Early Failure Rate, EFR）用于估算產(chǎn)品在用戶使用環(huán)境下，一年內(nèi)發(fā)生的設(shè)備故障次數(shù)。對(duì)于某些產(chǎn)品而言，由于系統(tǒng)壽命不同，或要求更高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品可靠性，這一期限可短至六個(gè)月或延長至一年以上。如圖2所示，老化測試（Burn-in）2用于篩查可能在短期內(nèi)失效的產(chǎn)品，而早期失效率用于驗(yàn)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(jù)相關(guān)半導(dǎo)體產(chǎn)品的溫度及電壓加速因子進(jìn)行設(shè)定和評(píng)估。

2老化測試（Burn-in）：是指對(duì)產(chǎn)品施加電壓和溫度應(yīng)力，以便在早期階段消除產(chǎn)品潛在缺陷的測試。封裝后執(zhí)行的老化測試被稱為“老化中測試（TBDI）”。

▲ 圖2：浴盆曲線中的早期失效率（EFR）區(qū)，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）測試是最常見的產(chǎn)品壽命評(píng)估類型之一，旨在評(píng)估產(chǎn)品在使用期間由溫度和電壓應(yīng)力引起的問題。高溫工作壽命測試是相對(duì)全面的測試方式，它不僅可以評(píng)估早期失效，同時(shí)可以識(shí)別由事故或損耗造成的失效問題。同樣，低溫工作壽命（Low Temperature Operating Life Test, LTOL）測試可用于評(píng)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(dǎo)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(dǎo)致通道變短后，電場會(huì)被增強(qiáng)。熱載流子是在此現(xiàn)象發(fā)生后，所產(chǎn)生的極度活躍的移動(dòng)電子。一般來說，這種短通道效應(yīng)發(fā)生在半導(dǎo)體晶體管中。

高溫存儲(chǔ)壽命測試

高溫存儲(chǔ)壽命（High Temperature Storage Life, HTSL）測試用于評(píng)估產(chǎn)品在高溫儲(chǔ)存條件下的可靠性。受擴(kuò)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(chǔ)存條件可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品壽命產(chǎn)生影響。

耐久性和數(shù)據(jù)保留性能測試

耐久性測試用于評(píng)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(shù)。對(duì)于NAND產(chǎn)品而言，一個(gè)關(guān)鍵的可靠性評(píng)估指標(biāo)是數(shù)據(jù)保留能力。該指標(biāo)衡量的是，在無電源供應(yīng)情況下的一定時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)單元中可保留的時(shí)長。