一文讀懂芯片封裝的可靠性測(cè)試

上海卷柔儀器設(shè)備有限公司是一家高科技合資企業(yè),專業(yè)生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機(jī)、冷熱沖擊機(jī)、振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械沖擊機(jī)、跌落試驗(yàn)機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)儀器的公司，是一家具有研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的公司。經(jīng)驗(yàn)豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持?，F(xiàn)在我們成為許多品牌的供應(yīng)商。

可靠性通常是指芯片封裝組件在特定使用環(huán)境下以及一定時(shí)間內(nèi)的損壞概率，換言之即表明組件的質(zhì)量狀況，也是電子產(chǎn)品未被商業(yè)化量產(chǎn)前與實(shí)際上市使用期間，產(chǎn)品性能和價(jià)值水平的總認(rèn)定。所以封裝廠必須對(duì)芯片封裝組件的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。如果說功能測(cè)試是檢測(cè)產(chǎn)品目前的狀況，那么可靠性測(cè)試就是預(yù)測(cè)產(chǎn)品在出廠后的使用質(zhì)量。

可靠性測(cè)試主要是產(chǎn)品在一些特定的狀態(tài)（特定使用環(huán)境與一定時(shí)間），對(duì)產(chǎn)品壽命影響的評(píng)估，確認(rèn)產(chǎn)品的質(zhì)量是否穩(wěn)定，同時(shí)進(jìn)行最佳的修正。通?？蛻魹榱艘宰羁?、的方式評(píng)估芯片的狀況，會(huì)通過加速測(cè)試，即采用比芯片正常工作狀況更嚴(yán)苛的條件來進(jìn)行測(cè)試，以此大幅縮短測(cè)試時(shí)間，快速評(píng)估故障發(fā)生率。

加速測(cè)試使用的前提是通過加速測(cè)試得到的故障機(jī)制必須和正常操作狀況得到的故障機(jī)制相同，的差別應(yīng)該只有時(shí)間的長短差異，如此執(zhí)行加速測(cè)試才有意義，否則就失去加速測(cè)試的初衷。一般常用的可靠性測(cè)試項(xiàng)目所選用的加速測(cè)試條件都與電壓、濕度和溫度等環(huán)境參數(shù)有關(guān)。

圖1 可靠性測(cè)試示意圖

芯片的可靠性在一定程度上可以說是芯片的壽命體現(xiàn)，作為一個(gè)質(zhì)量控制和評(píng)估產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)的工具，以及一個(gè)生產(chǎn)制造與材料供應(yīng)的穩(wěn)定度指標(biāo)，可靠性成為客戶在芯片上市量產(chǎn)前必須關(guān)注和研發(fā)改進(jìn)的重要指標(biāo)。在客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有要求的前提下，可靠性測(cè)試的具體執(zhí)行就有三大方向：驗(yàn)證什么，如何驗(yàn)證，到哪里驗(yàn)證。解決了這三個(gè)問題，質(zhì)量和可靠性就有了保證，廠商才可以大量地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，也更容易獲得消費(fèi)者的青睞。

目前芯片載板封裝的可靠性測(cè)試，大部分都是依照各個(gè)封裝廠客戶所要求的采購規(guī)范來執(zhí)行，同時(shí)也會(huì)參照其他廠家或某些的可靠性規(guī)范來進(jìn)行檢測(cè)。以下是進(jìn)行可靠性測(cè)試最常被采用的組織：

（1）國際電工委員會(huì)（IEC）

（2）規(guī)（Milstd）

（3）國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)（IPC）

（4）半導(dǎo)體工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織（JEDEC）

（5）日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（JIS）

通常芯片封裝組件的可靠性測(cè)試都是圍繞著溫度、濕度及電壓的影響因子，針對(duì)產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度的檢測(cè)來展開的。

圖2 芯片載板封裝常用可靠性測(cè)試示意圖

各封裝廠判斷可靠性測(cè)試項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)相同，以下就對(duì)目前市場(chǎng)上常用的芯片封裝組件用到的可靠性測(cè)試項(xiàng)目作簡(jiǎn)單的歸類及闡述。

圖3 芯片封裝的可靠性測(cè)試條件及流程示意圖

通常封裝廠對(duì)封裝完成品要執(zhí)行的可靠性測(cè)試項(xiàng)目會(huì)有六項(xiàng)，這六項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目有些可以同時(shí)進(jìn)行，有些必須等待前面的項(xiàng)目完成后再執(zhí)行。每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目依采樣方式，隨機(jī)抽取一定數(shù)量產(chǎn)品的可靠性測(cè)試結(jié)果來判定是否通過測(cè)試。由封裝廠確定抽樣的規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，每一家工廠各不相同，企業(yè)規(guī)模大的工廠的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)通常會(huì)較嚴(yán)苛。

以下分別對(duì)各項(xiàng)測(cè)試的內(nèi)容與目的作說明：

（1）溫度循環(huán)測(cè)試（Temperature Cycling Test, TCT）：是由熱氣腔和冷氣腔組成，通過將封裝體暴露在高低溫氣體轉(zhuǎn)換的環(huán)境中，測(cè)試封裝體抵抗溫度差異化的能力。常見的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為測(cè)試條件2，往復(fù)循環(huán)1000次，最終根據(jù)測(cè)試電路的通斷情況判斷測(cè)試是否通過。（見圖4）

圖4 溫度循環(huán)測(cè)試示意圖

測(cè)試目的：評(píng)估芯片產(chǎn)品中具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬間接口的接觸良率。方法是通過相對(duì)溫度差異大的氣體環(huán)境，從高溫到低溫往復(fù)變化。

測(cè)試條件：條件1: -55℃～125℃；條件2: -65℃～150℃。失效機(jī)制：電路的短路和斷路、材料的破壞及結(jié)構(gòu)機(jī)械變形。（見圖5）

圖5 TCT后的芯片封裝失效缺陷圖

（2）熱沖擊測(cè)試（Thermal Shock Test, TST）：是通過將封裝體暴露于高低溫液體的轉(zhuǎn)換環(huán)境中，測(cè)試封裝體抗熱沖擊的能力。常見的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為測(cè)試條件2，往復(fù)循環(huán)1000次，最終根據(jù)測(cè)試電路的通斷情況判斷測(cè)試是否通過。（見圖6）

圖6 熱沖擊測(cè)試流程及規(guī)范指標(biāo)示意圖

測(cè)試目的：評(píng)估芯片產(chǎn)品中具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬間接口的接觸良率。方法是通過循環(huán)流動(dòng)的液體從高溫到低溫往復(fù)變化。測(cè)試條件：條件1: -55℃～125℃；條件2: -65℃～150℃。失效機(jī)制：電路的短路和斷路、材料的破壞及結(jié)構(gòu)機(jī)械變形。（見圖7）

圖7 TST后的導(dǎo)通線路斷裂失效缺陷圖

TCT與TST的區(qū)別在于TCT偏重于芯片封裝的測(cè)試，而TST偏重于晶圓的測(cè)試。

（3）高溫儲(chǔ)藏試驗(yàn)（High Temperature Storage Test, HTST）：通過將封裝體長時(shí)間暴露于150℃的高溫氮?dú)鉅t中，測(cè)試電路通斷路情況。（見圖8）

圖8 高溫儲(chǔ)藏試驗(yàn)規(guī)范指標(biāo)示意圖

測(cè)試的目的：主要在于測(cè)試長期高溫狀況下，例如150℃加熱1000小時(shí)的情況，封裝體中可能因?yàn)槲镔|(zhì)活性增強(qiáng)，物質(zhì)遷移擴(kuò)散而影響電路性能。測(cè)試的條件：溫度：150℃；時(shí)間：500hrs/1000hrs；電性能測(cè)試：開路/短路測(cè)試。失效機(jī)制：電路的短路和斷路、材料的破壞及結(jié)構(gòu)機(jī)械變形。

（4）蒸汽鍋測(cè)試（Pressure Cooker Test, PCT）：俗稱高壓鍋測(cè)試，主要測(cè)試封裝產(chǎn)品抵抗環(huán)境濕度的能力，并通過增加壓強(qiáng)來縮短測(cè)試時(shí)間。（見圖9）

圖9 蒸汽鍋測(cè)試/熱應(yīng)力測(cè)試流程示意圖

測(cè)試目的：評(píng)估芯片產(chǎn)品在高溫、高濕、高壓條件下對(duì)濕度的抵抗能力，加速其性能失效的過程。測(cè)試條件：130℃, 85%相對(duì)濕度，通電加偏壓，鍋內(nèi)壓力2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。失效機(jī)制：化學(xué)金屬腐蝕，封裝塑封異常。（見圖10）

圖10 PCT后的金屬電路失效缺陷圖

（5）加速應(yīng)力測(cè)試（High Accelerated Temperature and Humidity Stress Test, HAST）：通過在高溫高濕以及偏壓的環(huán)境下，測(cè)試封裝體抗?jié)穸饶芰?。（見圖11）

圖11 加速應(yīng)力測(cè)試流程示意圖

測(cè)試目的：評(píng)估芯片產(chǎn)品在偏壓及高溫、高濕、高氣壓條件下對(duì)濕度的抵抗能力，加速其失能過程。

圖12 HAST后的金屬電路失效缺陷圖

測(cè)試條件：130℃，85%相對(duì)濕度，1.1伏特，通電加偏壓，鍋內(nèi)壓力2.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。失效機(jī)制：線路腐蝕，封裝塑封異常。

（6）Precon測(cè)試（Precondition Test）：是模擬芯片封裝完成后，運(yùn)輸?shù)较掠谓M裝廠裝配成最終產(chǎn)品的過程中，針對(duì)產(chǎn)品會(huì)經(jīng)歷的可能環(huán)境變化所作的可靠性測(cè)試項(xiàng)目。模擬測(cè)試整個(gè)過程中有類似TCT和THT的測(cè)試。測(cè)試前先確認(rèn)封裝電器成品性能沒有問題，然后開始各項(xiàng)惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，先是TCT，模擬運(yùn)輸過程中的溫度變化，目的在了解電子元器件的吸濕狀況，再在恒溫環(huán)境放置一段時(shí)間后（吸濕測(cè)試條件分為6個(gè)等級(jí)，依客戶要求選用測(cè)試），再模擬后段焊錫加工過程，然后檢查元器件的電器特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否失效。（見圖13）

圖13 Precon測(cè)試爆米花分層失效圖

在Precon測(cè)試中最常見的問題有爆米花效應(yīng)（Popcorn）跟分層（Delamination）失效等問題，這些問題都是因?yàn)榉庋b體在吸濕后遭遇高溫，內(nèi)部水分變?yōu)闅怏w，急速膨脹導(dǎo)致封裝元器件受損造成的。

綜上所述，一個(gè)好的電子產(chǎn)品，可以從可靠性的測(cè)試數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)，芯片封裝體必須要具有較強(qiáng)的耐濕、耐熱的能力，采用上述6個(gè)可靠性測(cè)試的驗(yàn)證，有利于反饋并改善封裝設(shè)計(jì)管理，從而提高產(chǎn)品的可靠性。

芯片封裝載板生產(chǎn)工藝發(fā)展了幾十年，逐漸遇到生產(chǎn)制造的瓶頸，蘋果公司已開始導(dǎo)入一種稱為類載板制造方法（Substrate Like Process, SLP），給硬質(zhì)載板的生產(chǎn)工藝帶來了升級(jí)的機(jī)會(huì)。類載板生產(chǎn)工藝基本上是PCB硬板的一種方法，只是制程上更接近半導(dǎo)體較細(xì)線路的制造工藝，這種制造工藝、原材料和設(shè)計(jì)方案還可以發(fā)展出很多變化。類載板制造方法的出現(xiàn)，讓高密度互連PCB廠商及現(xiàn)有的載板廠也可以生產(chǎn)，成為封裝廠新材料供應(yīng)商的新選擇。

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• 上海卷柔儀器設(shè)備有限公司是一家高科技合資企業(yè),生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機(jī)、冷熱沖擊機(jī)、振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械沖擊機(jī)、跌落試驗(yàn)機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)儀器的公司，研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。經(jīng)驗(yàn)豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。自公司成立以來,多次服務(wù)于國內(nèi)外大學(xué)和研究所等檢測(cè)機(jī)構(gòu),如清華大學(xué)、蘇州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、法國申美檢測(cè)、中科院物理所、中科院，SGS等**單位提供實(shí)施室方案和設(shè)備及其相關(guān)服務(wù)。努力開發(fā)半導(dǎo)體、光電、光通訊、航天太空、生物科技、食品、化工、制藥等行業(yè)產(chǎn)品所需的測(cè)試設(shè)備裝置。公司擁有一支的研發(fā)、生產(chǎn)和售後隊(duì)伍，從產(chǎn)品的研發(fā)到售后服務(wù)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都以客戶的觀點(diǎn)與需求作為思考的出發(fā)點(diǎn)。

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