【導讀】本系列文章詳細介紹了半導體后端工藝，涵蓋了從不同類型的半導體封裝、封裝工藝及材料等各個方面。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，涵蓋了從不同類型的半導體封裝、封裝工藝及材料等各個方面。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境中的可靠性，及機械可靠性等評估方法。
什么是產品可靠性？
半導體產品的質量取決于其是否可以充分滿足指定的標準及特性；而半導體產品的可靠性，是指在一定時間內無故障運行，從而提高客戶滿意度和復購率的能力。以此為前提，失效是指在產品使用過程中發生的故障，而缺陷是指在產品制造或檢驗過程中發生的錯誤。因此，產品缺陷屬于質量問題，而產品在保修期內頻繁出現故障則屬于可靠性問題。
圖1：質量與可靠性的區別（? HANOL出版社）
圖1列舉了質量及可靠性在含義和特性方面的區別。具體來講，可靠性是指系統、零件或材料在特定的時間、距離或使用頻次下，保持初始質量和性能的能力。要滿足這一點，就必須要求產品在指定條件下，如規定使用方式或特定的環境因素中保持無故障運行狀態。因此，半導體企業在產品量產前，必須先評估產品的質量和可靠性是否達到行業標準。此外，在產品量產期間，企業也應定期檢查產品的質量和可靠性。
評估產品可靠性最為重要的一步，是事先明確可靠性評估標準。舉例來說，如果一家企業準備出貨100件產品，那么該企業則需要考慮以下問題：這些產品中有多少件在三年后依然可以正常使用？產品使用期間的運行模式？能否保證90%的產品在五年后仍可正常使用？95%的產品可以正常使用多長時間？
驗證這些標準需進行測試。理想情況下，產品需接受三年期、五年期甚至更長期限的測試，以確保其在不同時間范圍內的可靠性。但如果將大量時間花費在產品評估上，會使產品量產時間大幅度推遲。因此，企業通常會采用加速測試和統計技術來評估可靠性，此外，還可以通過可靠性函數、產品壽命分布、及平均壽命等計算方式，在較短時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可以自行評估旗下產品的可靠性，并將評估結果提供給客戶，客戶可根據評估結果來判定產品是否滿足其需求，或自行開展可靠性評估測試。但如果半導體企業和客戶采用的評估標準存在差異，那么雙方就不得不對標準進行統一，而這是一項非常耗時的工作。作為解決方案，半導體企業通常會采納“國際半導體標準化組織旗下固態技術協會1”（簡稱JEDEC）規定的標準，來同時滿足企業及客戶的需求。
1JEDEC旗下固態技術協會（JEDEC Solid State Technology Association）：為微電子行業制定統一標準和出版物的領導機構。
JEDEC的主要職責是幫助制造商和相關組織，共同審查和制定如集成電路（Integrated Circuit）等電子設備的統一標準。隨著其所制定的標準被廣泛視為國際標準，JEDEC已成為實際意義上的全球半導體行業標準制定機構。
該組織董事會（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（JEDEC Committee, JC），為各自擅長的專業領域制定標準。其中，部分重要的服務半導體行業的委員會及其職責為：JC-14固態產品質量與可靠性委員會，負責為固態產品制定相關標準；JC-11機械標準化委員會，負責制定模塊及半導體封裝外觀標準；JC-42固態存儲器委員會，負責制定DRAM標準；JC-63多芯片封裝委員會，負責制定移動多芯片封裝標準。
如果某企業想要為旗下產品制定標準，首先可以提交標準提案，由相應的委員會成員進行投票表決。無論規模大小，每家企業均有一票投票權。委員會投票通過后，標準提案還需經由董事會投票再次表決，兩輪投票通過后，提案將被確立為JEDEC標準，并向各行業公示。
評估產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品可靠性的指標，包括評估半導體產品壽命的指標。
早期失效率
早期失效率（Early Failure Rate, EFR）用于估算產品在用戶使用環境下，一年內發生的設備故障次數。對于某些產品而言，由于系統壽命不同，或要求更高標準的產品可靠性，這一期限可短至六個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失效的產品，而早期失效率用于驗證篩查后產品的潛在失效率是否保持在可接受的水平。測試條件根據相關半導體產品的溫度及電壓加速因子進行設定和評估。
2老化測試（Burn-in）：是指對產品施加電壓和溫度應力，以便在早期階段消除產品潛在缺陷的測試。封裝后執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，及產品失效率隨時間發生變化的三個階段（? 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）測試是最常見的產品壽命評估類型之一，旨在評估產品在使用期間由溫度和電壓應力引起的問題。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，同時可以識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）測試可用于評估因受到熱載流子（Hot Carrier）3影響而發生失效的概率，但由于施加了電壓和溫度，也存在導致產品失效的其它情況發生。
3熱載流子（Hot Carrier）：晶體管尺寸縮小并導致通道變短后，電場會被增強。熱載流子是在此現象發生后，所產生的極度活躍的移動電子。一般來說，這種短通道效應發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、及封裝材料化學降解等因素影響，高溫儲存條件可能會對產品壽命產生影響。
耐久性和數據保留性能測試
耐久性測試用于評估NAND閃存等產品可以承受的編程/擦除（Program/Erase, P/E）周期的次數。對于NAND產品而言，一個關鍵的可靠性評估指標是數據保留能力。該指標衡量的是，在無電源供應情況下的一定時間內，數據在存儲單元中可保留的時長。
各種外部環境條件下的可靠性測試
導致半導體產品失效的外部環境條件誘因有許多。因此，產品在被運往目的地之前，需接受特定環境條件下的可靠性測試，以確保其能夠經受住不同環境條件的考驗。
預處理測試
完成產品裝運和儲存后，可通過預處理測試來評估客戶使用過程中可能出現的問題，如吸濕性（Hygroscopic）4和熱應力等影響產品可靠性的因素。預處理通過模擬產品在出售、運送給客戶的過程中、打開真空包裝，及系統安裝等各個環節的狀態，評估其在潮濕條件下的可靠性。預處理是環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（Thermal Cycle, TC）測試。
4吸濕性（Hygroscopic）：從空氣中吸收水分的現象。在半導體行業內，此現象會導致半導體器件失效。
評估順序依次為熱循環、烘烤、吸熱、回流焊。圖3展示了將預處理測試應用于封裝、運輸和系統安裝環節等的流程。
圖3 生產、運輸和使用與預處理測試條件的關系（? HANOL出版社）
熱循環測試
熱循環（TC）測試是評估產品在不同的用戶環境中，可能出現的瞬時溫度變化時產品的耐受性。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生后，因膨脹和收縮所產生的。
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。
熱循環測試的主要目的是測量溫度變化時，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題。長時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，由于綠色產品法規對鉛等有害物質使用的限制，以及便攜式移動設備等應用領域的擴展，焊點的重要性與日俱增，而熱循環也是評估焊點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間，建議通過測量打開防潮包裝后的吸濕量以模擬實際的使用環境。同時，溫濕度偏壓（THB）測試通過向產品施加電偏壓（Electrical Bias）7的方法來評估其防潮性能。盡管大多數失效原因是由鋁腐蝕引起的，但溫度應力也會造成其它潛在問題。該測試還可以用于檢測其它封裝可靠性問題，例如濕氣滲入引線間細小空隙或模塑孔而引發的焊盤金屬腐蝕問題，以及濕氣透過保護膜空隙滲入而導致的失效問題等。
7電偏壓（Electrical Bias）：在兩點之間施加直流電（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，通過濕氣滲透來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及模塑通孔間濕氣滲透所導致的產品失效。
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，水會蒸發，從而增加壓力和濕度，為高壓容器內的樣品創造必要條件。
類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看，高壓爐測試對于當前的封裝來說，應力幅度過大。因此，這項測試方法需根據封裝類型有選擇性地使用。高壓爐測試主要用于引線框架產品，而無偏壓高加速應力測試（UHAST）主要應用于基板產品。
無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
無偏壓高加速應力測試（UHAST）是通過對薄封裝的基底類型產品，如細間距球柵陣列封裝（FBGA）產品施加與高壓爐測試相似的應力，來評估產品可靠性。這兩項測試在識別和發現產品失效類型方面也有相同之處，高壓爐測試采用飽和濕度或100%相對濕度來施加應力；而無偏壓高加速應力測試，則采用與用戶環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或直接化學腐蝕。
9電偶腐蝕（Galvanic Corrosion）：一種當較活潑的陽極金屬與較耐腐蝕的陰極金屬在電解質溶液中接觸時，較活潑的金屬易被腐蝕的電化學過程。
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， 引腳在靜態偏壓的狀態下，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
半導體產品在搬運、儲存、運輸和運行過程中，會受到機械、氣候和電氣因素造成的環境壓力，這些負荷會嚴重影響產品的設計可靠性。因此，有必要對開發中或批量生產的產品進行評估，以監測此類異常情況。在評估過程中，制造商可對產品施加振動、沖擊或跌落等物理應力。
沖擊測試
沖擊測試通過模擬產品在搬運和運輸中可能受到的沖擊，來評估產品的抗沖擊力。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；跌落測試是指讓產品自由向下跌落。錘擊測試用于評估產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，以模擬用戶的實際工作環境。
振動、彎曲和扭轉測試
振動測試是用于產品在運輸期間可能發生振動的抵抗力評估，通常采用符合JEDEC標準的正弦振動（Sine Vibration）10實驗方式。
10正弦振動（Sine Vibration）：頻率隨時間而變化的振動。
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缺陷；扭轉測試也被稱為扭曲或扭矩測試，用于評估受到扭轉應力時，產品的焊點問題和翹曲承受力。
確保提供可靠的半導體產品
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。從環境條件測試、機械因素測試，到產品壽命測試等各項評估方法，皆體現了半導體行業致力于生產可靠、耐用產品的決心。值得一提的是，SK海力士不遺余力的堅持旗下產品始終采用最高可靠性標準，并不斷超越客戶預期。未來，公司將緊隨不斷發展的技術趨勢，繼續完善和審查可靠性測試。
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