THB(溫度、濕度、偏壓測試)是為加速金屬腐蝕的,尤其是為加速在die metallization中發生的腐蝕而進行的試驗。存在雜質的狀態下僅通過溫度和濕度也足以促進金屬的腐蝕,但為誘導電位差導致的腐蝕而使用偏壓。THB的不良機制大約可分為三類腐蝕(Galvanic, Electrochemical、direct Chemical腐蝕)以及ion migration。
關于表面貼裝器件(SMD),進行THB前經預處理后施加bias(Vcc max),在85°C、相對濕度85 %的條件下進行1000小時試驗。施加bias應考慮使用者實際環境中的壽命,讓它在各不相同的metallization之間盡量形成最大的電位差。進行實驗中在所要求的時間進行一次中間測量(intermediate readout),確認是否有異常。
乾球溫度(°C) | 相對濕度1(% R.H) | 濕球溫度(°C) | 蒸汽壓(psia/kPa) | 持續時間(小時) |
---|---|---|---|---|
85 ± 2 | 85 ± 5 | 81.0 | 7.12 (49.1) | 1000 |
JESD22-A101 “Steady State Temperature Humidity Bias Life Test”
TC(溫度循環)是主要測試兩個項目的試驗——1)產品能否承受高溫及低溫條件;2)反復被曝光在高溫和低溫時受到什么樣的影響。
反復性熱機械負荷導致的不良現象屬于疲勞失效(fatigue failure),TC正是加速這種疲勞失效的一種試驗。熱沖擊試驗也與TC一樣加速疲勞失效的試驗。試驗流程如下:將試料安裝于TC用chamber,反復曝光在規定水平的高溫和低溫。
最后循環完畢后以10~20倍率觀察外觀、lead、seal,最大以3倍率確認marking狀態。若外觀、lead、seal等有被損傷或者難以區分mark,就判定為不合格。
除外觀檢查外,按產品規格進行電氣試驗,應檢查有沒有因TC而造成的不良。
◎ 熱沖擊或溫度循環的應力因素
高溫和低溫之差(ΔT)
高溫和低溫移動時間
被暴露在高溫和低溫的時間
TC不良機制:die裂痕、package裂痕、neck/heel/wire破裂以及bond lifting等。
試驗條件 | 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 | +125 |
L | -55 | +110 |
M | -40 | +150 |
N | -40 | +85 |
R | -25 | +125 |
T | -40 | +100 |
設置條件請參見參考文獻
條件 | 溫度 (°C) | |
---|---|---|
低 | 高 | |
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) |
Mil-Std-883 Method 1010 “Temperature Cycling”
JESD22-A104 “Temperature Cycling”
PTC(Power and Temperature Cycle)適用于應在特定溫度下運行on、off開關的半導體device上。
電壓、溫度循環試驗中將device反復暴露在低溫和高溫,同時有規律的施加bias或完全去除bias,試驗目的是評估其耐性。這種試驗方法可看做是一種在正常使用范疇下device將會經歷的模擬worstcase環境,屬于破壞試驗。
在試驗過程中,向device反復施加5分鐘power和5分鐘休止,按規定次數循環施加bias的同時,同步進行溫度循環測試。此時應該讓device在最低或最高溫度停留充分的時間,使整個試料質量能達到規定溫度。(試料溫度是指未施加bias的狀態下所達到的溫度)
試驗條件 | 溫度最大值 (℃) | 溫度最大值之間的 替換時間(最長) | 每個溫度最大值 維持時間(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 |
JESD22-A105 “Power and Temperature Cycling”
Thermal Shock試驗主要評估產品對驟然的溫度變化受到什么樣的影響。試驗從常溫開始,反復經過規定次數的循環,被暴露在非常低的溫度(或高溫)和非常高的溫度(或低溫)較短的時間后再回到常溫。最后一次的循環結束后,最好針對case和lead/terminal等進行外觀檢查(檢查倍率為10~20)或者以3倍率確認marking是否正常。若難以確認Mark或者在case、lead中發現損傷就判定failure。
有關TS試驗的不良機制有die cracking、package cracking、neck/heel/wire breaks、and bond lifting等。
新開發的產品一般進行1000cycle的試驗,通過electrical test及200~500倍率的外觀檢查判定不良與否。
◎ 熱沖擊或溫度循環的應力因素
高溫和低溫之差(ΔT)
高溫和低溫移動時間
暴露在高溫和低溫的時間
條件 | 溫度 (°C) | |
---|---|---|
低 | 高 | |
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) |
共移動時間 < 20秒
共維持時間應長于標本達到特定溫度的時間
在維持時間達到的特定溫度
條件 | 溫度 (°C) | |
---|---|---|
低 | 高 | |
A | 0 (-10/+2) | 100 (-2/+10) |
B | -55 (-10/+0) | 125 (-0/+10) |
C | -60 (-10/+0) | 150 (-0/+10) |
共移動時間 < 10秒
共移動時間 > 2分鐘
特定溫度達到時間 < 5分鐘
至少要進行15周期以上
Mil-Std-883 Method 1011 “Thermal Shock”
JESD22-A106 “Thermal Shock”
高壓、高濕試驗可稱為Autoclave試驗或Pressure Cooker Test (PCT),是評估產品能否承受高溫高濕環境的試驗。尤其是像die metallization一樣,為加速內部金屬腐蝕而進行的一種測試。樣品處于溫度121 °C、相對濕度100 %、氣壓2atm的狀態下接受168個小時的試驗。表面貼裝器件(SMD)產品在autoclave試驗前將進行precondition,所謂precondition是指模擬營造將產品安裝在board上工程的流程。Precondition可分為三個流程:干燥試料的bake環節、將水分恢復至規定水平的soak環節、Reflow環節。經過Precondition后進行特性試驗,此時發現的不良不歸類于autoclave failure,而歸于precondition failure。Precondition不良表示產品承受不了在安裝工程中發生的高溫,這點歸類于嚴重的問題。在進行Autoclave試驗時,濕度將達到最大值,所以可能會發生electrical leakage。不過若沒把該現象歸為不良,就不會將此包含(count)在不良數量之中。只有把腐蝕或其他永久性損傷才能定義為PCT不良。
乾球溫度(°C) | 相對濕度(% R.H) | 持續時間(小時) |
---|---|---|
121 ± 2 | 100 | 96 (-0, +2) |
JESD22-A102 “Accelerated Moisture Resistance - Unbiased Autoclave”
HAST (Highly Accelerated Stress Test)是為彌補Temperature Humidity Bias (THB) Test較長的試驗時間而開發的試驗。THB的試驗時間為1000小時,但HAST卻在96~264小時內能得出結果。因此最近HAST被廣泛使用。如同THB一樣,HAST也加速die的metal line及 thin film resistor腐蝕。進行HAST前進行Precondition,在施加bias的狀態下,在溫度130°C、相對濕度85 %環境下進行96~264個小時的試驗。
將試料放入chamber前一般loading在專用board上再進行試驗。在試驗中所使用的board設計得充分能承受HAST條件。(請參見圖)
若特定工程發生變動,可能會影響到耐腐蝕性(corrosion resistance),還是建議HAST試驗。即,不僅是新的fab process、package、site的移動,若molding compound、die glassivation、 metallization、thin film resistor等發生了變化,也需要HAST認證。
◎ 設置Bias條件
使Powerdissipation最小化,讓水分留在Die表面。
對交叉的pin盡量施加相反的bias(low voltage和high voltage)
在能控制Power dissipation的范圍內將Operating Voltage水平調到最大。
乾球溫度 (°C) | 相對濕度1 (% R.H) | 濕球溫度 (°C) | 蒸汽壓 (psia/kPa) | 持續時間 (小時) | |
---|---|---|---|---|---|
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) |
JESD22-A110 “Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test (HAST)
HTS(High Temperature Storage Test)是評估產品長時間貯存于高溫時將受到什么樣影響的試驗。
不適用Electrical stress,與Stabilization Bake (Mil-Std-883 Method 1008)相似,但HTS試驗需要更長時間(Stabilization Bake:24 h @ 150 °C)。并且相比于Stabilization Bake主要被用來screen的作用或其它試驗的precondition,HTS的目的是評估產品long-term reliability(長時間的可靠性)的。
HTS試驗時將試料在規定時間內暴露在規定溫度之中。因此試驗開始前試料溫度應達到規定溫度,試驗結束后96小時內應進行test(外觀檢查或electrical test)。因HTS不適用electrical stress,所以替代不了burn-in試驗,但從以溫度此單一條件加速不良機制(例:oxidation、bond and lead finish intermetallic growths)的角度上說,也是非常有效的一種實驗。
基本上以150 °C/1000 h為條件,可以適當調整溫度和時間條件來進行具有各種目的的試驗。
Low Temperature Storage(LTS)試驗也是具有相同目的的試驗,唯只有適用低溫條件的一點不同。
除了貯存(storage)試驗外,可以將此試驗與data retention以及其他可靠性試驗相結合,形成單一test sequence。
條件 | 溫度 (°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) |
條件 | 溫度 (°C) |
---|---|
A | -40 (-10/+0) |
B | -55 (-10/+0) |
C | -65 (-10/+0) |
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”
SMD產品厚度薄,以相對弱的力量也會發生分裂;
容易吸收并維持水分;
在SMD board mounting作業中molding compound暴露在高溫。
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 |
JSTD-020 “Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices”
所謂Precondition,從廣義上來說是指進行可靠性試驗前實施的特定stress及process。在半導體可靠性叫做“precondition”,一般表示SMD產品安裝工程的意思。在此試驗中要確認安裝于成品的SMD package可靠性,但很難將試料從產品分離出來。(不可避免物理性damage。)因此對單品狀態的package施加在PCB組裝(reflow)過程中發生的溫度profile來準備試料(參考下圖)。要提前指定好Moisture Sensitivity Level,按指定Level實施precondition。
因為按多種package形態popcorn cracking的發生程度會有所不同,因此設立了能在IPC/JEDEC區分濕度敏感度的標準。MSL用數字來標記,數字大表示popcorn cracking的發生概率高。譬如,MSL1表示無論暴露在濕度多長時間都具有很強的耐性;MSL5或6則表示與濕度有關的分裂發生概率最高。
于THB、HAST、TC、AC、UHST前實施預處理。
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”
鹽霧試驗(Salt Atmosphere)是虛擬營造對產品及package造成影響的海岸環境,加速腐蝕的一種測試。該試驗流程可分為兩個階段:首先噴霧鹽溶液形成一種鹽水霧,然后將產品暴露在一定時間。試驗結束后用去離子水(D/I water)至少洗5分鐘后以10~20倍率評估pitting、blistering、flaking、 corrosion等。
配件暴露于鹽水噴霧
鹽分:滿足雜質條件的氯化鈉
鹽分濃度:0.5 % - 3 % /重量/蒸餾水
鹽水噴霧溫度:最低35 ℃
32 - 38 ℃之間的暴露領域
pH: 在35℃ 6.5 - 7.2
試驗條件 | 維持時間(小時) |
---|---|
A | 24 |
B | 148 |
C | 96 |
D | 240 |
Mil-Std-883 Method 1009 “Salt Atmosphere (corrosion)”
JESD22-A107 “Salt Atmosphere”
HALT (Highly Accelerated Life Test)不同于傳統可靠性試驗,是嶄新概念的一種設計見證試驗。
該試驗目的為從產品設計階段就開始試驗,找出脆弱部分的同時應用改善方案,降低市場上的return。該試驗并非是虛擬營造Field環境的概念,而是為了盡量迅速找出脆弱部分并予以加速,通過低溫、高溫條件和輪流震動來加速weak point不良。
該試驗流程可分為兩個環節:首先讓設計者參與 重要parameter指定,再按試驗sequence監督特性。
若發現不良,找出不良點,再找出改善之處,最終確保產品margin。關鍵是通過設計者與測試者之間的協商,設計Test Plan的同時進行正確的試驗(可改動目的的特性數值),并且若發生問題應該能夠分析原因。QRT以25年來積累的可靠性技術以及秘訣,為您提供最適合HALT試驗目的的試驗服務。
不同階段的應力試驗-冷熱
不同階段的應力試驗-溫熱
急速熱變化應力試驗
不同階段的振動應力試驗
綜合環境應力試驗
Mil-Std883 Method 2005 “Vibration Fatigue”
JESD22-B103B “Vibration, Variable Frequency”