芯片可靠性测试.docx
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芯片可靠性测试
芯片可靠性测试质量（Quality）和可靠性（Reliability）在一定程度上可以说是IC产品的生命，好的品质，长久的耐力往往就是一颗优秀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，哪里去验证，这就是what,how,where的问题了。
解决了这三个问题，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，客户才可以放心地使用产品。
本文将目前较为流行的测试方法加以简单归类和阐述，力求达到抛砖引玉的作用。
Quality就是产品性能的测量，它回答了一个产品是否合乎SPEC的要求，是否符合各项性能指标的问题；Reliability则是对产品耐久力的测量，它回答了一个产品生命周期有多长，简单说，它能用多久的问题。
所以说Quality解决的是现阶段的问题，Reliability解决的是一段时间以后的问题。
知道了两者的区别，我们发现，Quality的问题解决方法往往比较直接，设计和制造单位在产品生产出来后，通过简单的测试，就可以知道产品的性能是否达到SPEC的要求，这种测试在IC的设计和制造单位就可以进行。
相对而言，
Reliability的问题似乎就变的十分棘手，这个产品能用多久，whoknows?
谁会能保证今天产品能用，明天就一定能用？
为了解决这个问题，人们制定了各种各样的标准，如
MIT-STD-883EMethod1005.8
JESD22-A108-A
EIAJED-4701-D101
等等，这些标准林林总总，方方面面，都是建立在长久以来IC设计，制造和使用的经验的基础上，规定了IC测试的条件，如温度，湿度，电压，偏压，测试方法等，获得标准的测试结果。
这些标准的制定使得IC测试变得不再盲目，变得有章可循，有法可依，从而很好的解决的what，how的问题。
而Where的问题，由于Reliability的测试需要专业的设备，专业的器材和较长的时间，这就需要专业的测试单位。
这种单位提供专业的测试机台，并且根据国际标准进行测试，提供给客户完备的测试报告，并且力求准确的回答Reliability的问题
在简单的介绍一些目前较为流行的Reliability的测试方法之前，我们先来认识一下IC产品的生命周期。
典型的IC产品的生命周期可以用一条浴缸曲线（BathtubCurve）来表示，如图所示
Region（I）被称为早夭期（Infancyperiod）。
这个阶段产品的failurerate快速下降，造成失效的原因在于IC设计和生产过程中的缺陷；
Region（II）被称为使用期（Usefullifeperiod）。
在这个阶段产品的failurerate保持稳定，失效的原因往往是随机的，比如EOS，温度变化等等；
Region（III）被称为磨耗期（Wear-Outperiod）。
在这个阶段failurerate会快速升高，失效的原因就是产品的长期使用所造成的老化等。
认识了典型IC产品的生命周期，我们就可以看到，Reliability的问题就是要力图将处于早夭期failure的产品去除并估算其良率，预计产品的使用期，并且找到failure的原因，尤其是在IC生产，封装，存储等方面出现的问题所造成的失效原因。
下面就是一些ICProductLevelreliabilitytestitems
>Robustnesstestitems
ESD,Latch-up
对于Robustnesstestitems听到的ESD，Latch-up问题，有很多的精彩的说明，这里就不再锦上添花了。
下面详细介绍其他的测试方法。
>Lifetestitems
EFR,OLT（HTOL）,LTOL
EFR:
EarlyfailRateTest
Purpose:
评估工艺的稳定性，加速缺陷失效率，去除由于天生原因失效的产品。
Testcondition:
在特定时间内动态提升温度和电压对产品进行测试
FailureMechanisms：
材料或工艺的缺陷包括诸如氧化层缺陷，金属刻镀，离子玷污等由于生产造成的失效
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1015.9
JESD22-A108-A
EIAJED-4701-D101
HTOL/LTOL：
High/LowTemperatureOperatingLife
Purpose:
评估器件在超热和超电压情况下一段时间的耐久力
Testcondition:
125?
C，1.1VCC,动态测试
FailureMechanisms：
电子迁移，氧化层破裂，相互扩散，不稳定性，离子玷污等
Reference：
简单的标准如下表所示，125?
C条件下1000小时测试通过IC可以保证持续使用4年，2000小时测试持续使用8年；150?
C测试保证使用8年，2000小时保证使用28年。
125?
C150?
C
1000hrs4years8years
2000hrs8years28years
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1005.8
JESD22-A108-A
EIAJED-4701-D101
>Environmentaltestitems
PRE-CON,THB,HAST,PCT,TCT,TST,HTST,SolderabilityTest,SolderHeatTest
PRE-CON:
PreconditionTest
Purpose:
模拟IC在使用之前在一定湿度，温度条件下存储的耐久力，也就是IC从生产到使用之间存储的可靠性。
TestFlow:
Step1:
SAM（ScanningAcousticMicroscopy）
Step2:
Temperaturecycling
-40?
C（orlower）~60?
C（orhigher）for5cyclestosimulateshippingconditions
Step3:
Baking
Atminimum125?
Cfor24hourstoremoveallmoisturefromthepackage
Step4:
Soaking
Usingoneoffollowingsoakconditions
-Level1:
85?
C/85%RHfor168hrs
（多久都没关系）
-Level1:
85?
C/60%RHfor168hrs
（一年左右）
-Level1:
30?
C/60%RHfor192hrs
（一周左右）
Step5:
Reflow
240?
C（-5?
C）/225?
C（-5?
C）for3times（Pb-Sn）
245?
C（-5?
C）/250?
C（-5?
C）for3times（Lead-free）
*chooseaccordingthepackagesize
FailureMechanisms:
封装破裂，分层
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
JESD22-A113-D
EIAJED-4701-B101
THB:
TemperatureHumidityBiasTest
Purpose:
评估IC产品在高温，高压，偏压条件下对湿气的抵抗能力，加速其失效进程
Testcondition:
85?
C，85%RH,1.1VCC,Staticbias
FailureMechanisms：
电解腐蚀
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准JESD22-A101-D
EIAJED-4701-D122
HAST:
HighlyAcceleratedStressTest
Purpose:
评估IC产品在偏压下高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
Testcondition:
130?
C，85%RH,1.1VCC,Staticbias，2.3atmFailureMechanisms：
电离腐蚀，封装密封性
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准JESD22-A110
PCT:
PressureCookTest（AutoclaveTest）
Purpose:
评估IC产品在高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
Testcondition:
130?
C，85%RH,Staticbias，15PSIG（2atm）FailureMechanisms：
化学金属腐蚀，封装密封性
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准JESD22-A102
EIAJED-4701-B123
HAST与THB的区别在于温度更高，并且考虑到压力因素，实验时间可以缩短，
而PCT则不加偏压，但湿度增大
TCT:
TemperatureCyclingTest
Purpose:
评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。
方法是通过循环流动的空气从高温到低温重复变化。
Testcondition:
ConditionB:
-55?
Cto125?
C
ConditionC:
-65?
Cto150?
C
FailureMechanisms：
电介质的断裂，导体和绝缘体的断裂，不同界面的分层
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1010.7
JESD22-A104-A
EIAJED-4701-B-131
TST:
ThermalShockTest
Purpose:
评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。
方法是通过循环流动的液体从高温到低温重复变化。
Testcondition:
ConditionB:
-55?
Cto125?
C
ConditionC:
-65?
Cto150?
C
FailureMechanisms：
电介质的断裂，材料的老化（如bondwires）,导体机械变形
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1011.9
JESD22-B106
EIAJED-4701-B-141
*TCT与TST的区别在于TCT偏重于package的测试，而TST偏重于晶园的测试
HTST:
HighTemperatureStorageLifeTest
Purpose:
评估IC产品在实际使用之前在高温条件下保持几年不工作条件下的生命时间。
Testcondition:
150?
C
FailureMechanisms：
化学和扩散效应，Au-Al共金效应
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1008.2JESD22-A103-A
EIAJED-4701-B111
SolderabilityTest
Purpose:
评估ICleads在粘锡过程中的可考度
TestMethod:
1.蒸汽老化8小时
2.侵入245?
C锡盆中5秒
FailureCriterion：
至少95％良率
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod2003.7
JESD22-B102
SHTTest:
SolderHeatResistivityTest
Purpose:
评估IC对瞬间高温的敏感度
TestMethod:
侵入260?
C锡盆中10秒
FailureCriterion：
根据电测试结果
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod2003.7
EIAJED-4701-B106
>Endurancetestitems
Endurancecyclingtest,Dataretentiontest
EnduranceCyclingTest
Purpose:
评估非挥发性memory器件在多次读写算后的持久性能
TestMethod:
将数据写入memory的存储单元，在擦除数据，重复这个过程多次
Testcondition:
室温，或者更高，每个数据的读写次数达到100k~1000kReference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1033
DataRetentionTest
Purpose:
在重复读写之后加速非挥发性memory器件存储节点的电荷损失
Testcondition:
在高温条件下将数据写入memory存储单元后，多次读取验证单元中的数据
FailureMechanisms：
150?
C
Reference：
具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
MIT-STD-883EMethod1008.2
MIT-STD-883EMethod1033
在了解上述的IC测试方法之后，IC的设计制造商就需要根据不用IC产品的性能，用途以及需要测试的目的，选择合适的测试方法，最大限度的降低IC测试的时间和成本，从而有效控制IC产品的质量和可靠度。
BasicFAFlows
EveryexperiencedfailureanalystknowsthateveryFAisunique.NobodycantrulysaythatheorshehasdevelopedastandardFAflowforeveryFAthatwillcomehisorherway.FA'shaveatendencyofdirectingthemselves,witheachsubsequentstepdependingontheoutcomeofthepreviousstep.
TheflowofanFAisinfluencedbyamultitudeoffactors:
thedeviceitself,theapplicationinwhichitfailed,thestressesthatthedevicehasundergonepriortofailure,thepointoffailure,thefailurerate,thefailuremode,thefailureattributes,andofcourse,thefailuremechanism.Nonetheless,FAisFA,soitisindeedpossibletodefinetoacertaindegreea'standard'FAflowforeveryfailuremechanism.
ThisarticleaimstogivethereaderabasicideaofhowtheFAflowforagivenfailuremechanismmaybestandardized.'Standardization'inthiscontextdoesnotmeandefiningastep-by-stepFAproceduretofollow,butratherwhattolookforwhenanalyzingfailuresdependingonwhattheobservedorsuspectedfailuremechanismis.
BasicDie-levelFAFlow
1）FailureInformationReview.Understandthoroughlythecustomer'sdescriptionofthefailure.Determine:
a）thespecificelectricalfailuremodethatthecustomerisexperiencing;b）thepointoffailureorwherethefailurewasencountered（fieldormanufacturinglineandatwhichstep?
）;c）whatconditionsthesampleshavealreadygonethroughorbeensubjectedto;andd）thefailurerateobservedbythecustomer.
2）FailureVerification.Verifythecustomer'sfailuremodebyelectricaltesting.Checkthedatalogresultsforconsistencywithwhatthecustomeris
reporting.
3）ExternalVisualInspection.Performathoroughexternalvisualinspectiononthesample.Noteallmarkingsonthepackageandlookforexternalanomalies,i.e.,missing/bentleads,packagediscolorations,packagecracks/chip-outs/scratches,contamination,leadoxidation/corrosion,illegiblemarks,non-standardfonts,etc.
4）BenchTesting.VerifytheelectricaltestresultsbybenchtestingtoensurethatallATEfailuresarenotduetocontactissuesonly.Theidealcaseisforthecustomer'sreportedfailuremode,ATEresults,andbenchtestresultstobeconsistentwitheachother.
5）CurveTracing.Performcurvetracingtoidentifywhichpinsexhibitcurrent/voltage（I/V）anomalies.TheobjectiveofcurvetracingistolookforopenorshortedpinsandpinswithabnormalI/Vcharacteristics（excessiveleakage,abnormalbreakdownvoltages,etc.）.FAmaythenbefocusedoncircuitsinvolvingtheseanomalouspins.Dynamiccurvetracing,whereintheunitispoweredupwhileundergoingcurvetracing,maybeperformedifstaticcurvetracingdoesnotrevealanyanomalies.
6）X-rayInspection.Performx-rayinspectiontolookforinternalpackageanomaliessuchasbrokenwires,missingwires,incorrectormissingdie,excessivedieattachvoids,etc,withouthavingtoopenthepackage.Xrayinspectionresultsmustbeconsistentwithcurvetraceresults,e.g.,ifx-rayinspectionrevealedabrokenwireatapin,thencurvetracingshouldrevealthatpintobeopen.
7）CSAM.PerformCSAMonplasticpackagestodetermineifthesampleshaveanyinternaldelaminationsthatmayleadtootherfailureattributessuchascorrosion,brokenwires,andliftedbonds.
8）Decapsulation.Onceallthenon-destructivestepssuchasthoseabovehavebeencompleted,thesamplesmaybesubjectedtodecapsulationtoexposethedieandotherinternalfeaturesofthedeviceforfurtherFA.
9）InternalVisualInspection.Performinternalvisualinspectionafterdecap.Thisisusuallydoneusingalow-powermicroscopeandahigh-powermicroscope,proceedingfromlowmagnificationtohigherones.Lookforwire/bondanomalies,diecracks,wireanddiecorrosion,diescratches,EOS/ESDsites,fabdefects,andthelike.SEMinspectionmaybeneededinsomei
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