電子封裝可靠性測試需要做哪些測試？
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網(wǎng)絡(luò)
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網(wǎng)絡(luò)
來源：
m.hlgsj12.cn
發(fā)布日期： 2020.12.10
1、概述
在芯片完成整個(gè)封裝流程之后，封裝廠會對其產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量和可靠性兩方面的檢測。
質(zhì)量檢測主要檢測封裝后芯片的可用性，封裝后的質(zhì)量和性能情況，而可靠性則是對封裝的可靠性相關(guān)參數(shù)的測試。
首先，我們必須理解什么叫做“可靠性”，產(chǎn)品的可靠性即產(chǎn)品可靠度的性能，具體表現(xiàn)在產(chǎn)品使用時(shí)是否容易出故障，產(chǎn)品使用壽命是否合理等。如果說“品質(zhì)”是檢測產(chǎn)品“現(xiàn)在”的質(zhì)量的話，那么“可靠性”就是檢測產(chǎn)品“未來”的質(zhì)量。
圖（1）所示的統(tǒng)計(jì)學(xué)上的浴盆曲線（Bathtub
Curve）很清晰地描述了生產(chǎn)廠商對產(chǎn)品可靠性的控制，也同步描述了客戶對可靠性的需求。
上圖所示的早夭區(qū)是指短時(shí)間內(nèi)就會被損壞的產(chǎn)品，也是生產(chǎn)廠商需要淘汰的，客戶所不能接受的產(chǎn)品；正常使用壽命區(qū)代表客戶可以接受的產(chǎn)品;耐用區(qū)指性能特別好，特別耐用的產(chǎn)品。由圖上的浴缸曲線可見，在早天區(qū)和耐用區(qū)，產(chǎn)品的不良率一般比較高。在正常使用區(qū)，才有比較穩(wěn)定的良率。大部分產(chǎn)品都是在正常使用區(qū)的?？煽啃詼y試就是為了分辨產(chǎn)品是否屬于正常使用區(qū)的測試，解決皁期開發(fā)中產(chǎn)品不穩(wěn)定，良率低等問題，提高技術(shù)，使封裝生產(chǎn)線達(dá)到高良率，穩(wěn)定運(yùn)行的自的。
在封裝業(yè)的發(fā)展史上，早期的封裝廠商并不把可靠性測試放在位，人們重視的是產(chǎn)能，只要一定生產(chǎn)能力就能贏利。到了90年代，隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，封裝廠家也逐漸增多，產(chǎn)品質(zhì)量就擺到了重要位置，誰家產(chǎn)品的質(zhì)量好，就占優(yōu)勢，于是質(zhì)量問題是主要的竟?fàn)廃c(diǎn)和研究方向。進(jìn)入21世紀(jì)，當(dāng)質(zhì)量問題基本解決以后，廣廠商之間的競爭放在了可靠性上，同等質(zhì)量，消費(fèi)者自然喜歡高可靠性的產(chǎn)品，于是可靠性越發(fā)顯示其重要性，高可靠性是現(xiàn)代封裝技術(shù)的研發(fā)的重要指標(biāo)。
2、可靠性測試項(xiàng)目
一般封裝廠的可靠性測試項(xiàng)目有6項(xiàng)，如表1所示
各個(gè)測試項(xiàng)都有一定的目的，針對性和具體方法，但就測試項(xiàng)目而言，基本上都與溫度，濕度，壓強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)有關(guān)，偶爾還會加上偏壓等以制造惡劣破壞環(huán)境來達(dá)到測試產(chǎn)品可靠性的自的。
各個(gè)測試項(xiàng)目大都采用采樣的方法，即隨機(jī)抽查一定數(shù)量產(chǎn)品的可靠性測試結(jié)果來斷定生產(chǎn)線是否通過可靠性測試。各個(gè)封裝廠的可靠性判定標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，實(shí)力雄厚的企業(yè)一般會用較高水準(zhǔn)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。
6種測試項(xiàng)目是有先后順序的，如圖（2)所示。Preconditioning Test是首先要進(jìn)行的測試項(xiàng)目,之后進(jìn)行其他5項(xiàng)的測試。之所以有這種先后順序,是由PRECON
TEST的目的決定的，在以下的章節(jié)中，我們分別講述各種測試的具體內(nèi)容，目的。鑒于PRECON TEST特殊性，將放在后介紹。
3、T/C測試（溫度循環(huán)測試）
T/C (Temperature Cycling)測試，即溫度循環(huán)測試。
溫度循環(huán)試驗(yàn)箱如圖3所示，由一個(gè)熱氣腔，一個(gè)冷氣腔組成，腔內(nèi)分別填充著熱冷空氣（熱冷空氣的溫度各個(gè)封裝廠有自己的標(biāo)準(zhǔn)，相對溫差越大，通過測試的產(chǎn)品的某特性可靠性越高)。兩腔之間有個(gè)閥門，是待測品往返兩腔的通道。
在封裝芯片做T/C測試的時(shí)候，有4個(gè)參數(shù)，分別為熱腔溫度，冷腔溫度，循環(huán)次數(shù)，芯片單次單腔停留時(shí)間。
如表2所示的參數(shù)就代表T/C測試時(shí)把封裝后的芯片放在150℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱15分鐘，再通過閥門放入-65℃的低溫箱15分鐘，再放入高溫箱，如此反復(fù)1000次。之后測試電路性能以檢測是否通過T/C可靠性測試。
從T/C的測試方法已經(jīng)可以看出，T/C測試得主要目的是測試半導(dǎo)體封裝體熱脹冷縮的耐久性。
在封裝體中，有許多種材料，材料之間都有相應(yīng)的結(jié)合面，在封裝體所處環(huán)境的溫度有所變化時(shí)，封裝體內(nèi)各種材料就會有熱脹冷縮效應(yīng)，而且材料熱膨脹系數(shù)不同，其熱脹冷縮的程度就有所不同，這樣原來緊密結(jié)合的材料結(jié)合面就會出現(xiàn)問題。圖示4是以Lead
frame封裝為例，熱脹冷縮是的具體情況：其中主要的材料包括lead frame的Cu材料，芯片的硅材料，連接用的金線材料，還有芯片粘接的膠體材料。其中EMC與硅芯片，Lead frame有大面積基礎(chǔ)，比較容易脫層，硅芯片與粘合的硅膠，硅膠和leadframe之間也會在T/C測試中失效。
再由圖5來看一下T/C測試中的幾個(gè)失效模型。
4、T/S測試（冷熱沖擊測試）
T/S test (Thermal Shock test）即測試封裝體抗熱沖擊的能力。
T/S測試和T/C測試有點(diǎn)類似，不同的是T/S測試環(huán)境是在高溫液體中轉(zhuǎn)換，液體的導(dǎo)熱比空氣快，于是有較強(qiáng)的熱沖擊力。
例如表3所示的參數(shù)，就代表在2個(gè)隔離的區(qū)域分別放入150℃的液體和-65℃的液體，然后把封裝產(chǎn)品放入一個(gè)區(qū)，5分鐘后再裝入另一個(gè)區(qū)，由于溫差大，傳熱環(huán)境好，封裝體就受到很強(qiáng)的熱沖擊，如此往復(fù)1000次，來測試產(chǎn)品的抗熱沖擊性，終也是通過測試電路的通斷情況斷定產(chǎn)品是否TS可靠性測試。
5、HTS測試
HTS (High temperature Storage)測試，是測試封裝體長時(shí)間暴露在高溫環(huán)境下的耐久性實(shí)驗(yàn)。
HTS測試是把封裝產(chǎn)品長時(shí)間放置在
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如表4參數(shù)表示封裝放置在150℃高溫氮?dú)饪鞠渲?000小時(shí)(圖7中）。
HTS測試是因?yàn)樵诟邷貤l件下，半導(dǎo)體構(gòu)成物質(zhì)的活化性增強(qiáng)，會有物質(zhì)間的擴(kuò)散作用，而導(dǎo)致電氣的不良發(fā)生，另外因?yàn)楦邷?，機(jī)械性較弱的物質(zhì)也容易損壞。
例如圖8所示的kirkendall孔洞產(chǎn)生就是因?yàn)槲镔|(zhì)可擴(kuò)散作用造成的。
在金線和芯片的結(jié)合面上，它的材料結(jié)構(gòu)依次為:鋁，鋁金合金，金，在高溫的狀態(tài)下，金和鋁金屬都變得很活躍，相互會擴(kuò)散，但是由于鋁的擴(kuò)散速度比金要快，所以在鋁的界面物質(zhì)就變少，就形成了孔洞。這樣就造成電路性能不好，甚至導(dǎo)致斷路。
那么如何解決HTS可靠性測試不良的問題呢?
首先在特定情況下，我們可以選擇使用同種物質(zhì)結(jié)合電路，比如軍事上，金線用鋁線代替，這樣就不會因?yàn)榻饘匍g的擴(kuò)散而產(chǎn)生不良了。
我們也可以用摻雜物質(zhì)作中介層來抑制物質(zhì)間的相互擴(kuò)散。當(dāng)然還有一種方法就是避免把封裝體長時(shí)間在高溫下放置，沒有長時(shí)間的高溫環(huán)境，自然不會有擴(kuò)散導(dǎo)致失效的結(jié)果了。
6、TH測試
TH (Temperature & Humidity)測試，是測試封裝在高溫潮濕環(huán)境下的耐久性的實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)也是靠測定封裝體電路的通斷特性來斷定產(chǎn)品是否有優(yōu)良的耐高溫濕性。
在TH測試中，由于EMC材料有一定的吸濕性，而內(nèi)部電路在潮濕的環(huán)境下，很容易導(dǎo)致漏電，短路等效應(yīng)。
為了有更好的防濕性,我們會選擇使用陶瓷封裝來代替塑料封裝，因?yàn)樗芰戏庋b的EMC材料比較容易吸水。當(dāng)然也可控制EMC的材料成分，以達(dá)到其吸濕性的目的。
如圖9所示，TH測試是在一個(gè)能保持恒定溫度和適度的恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行的，一般測試參數(shù)如表5
7、PCT測試
PCT (Pressure Cooker Test)，是對封裝體抵抗抗潮濕環(huán)境能力的測試。PCT測試與TH測試類似，只是增加了壓強(qiáng)環(huán)境以縮短測試時(shí)間,通常做PCT測試的工具我們叫“高壓鍋、高壓加速老化試驗(yàn)箱”。
PCT測試的參數(shù)如表6所示:
在PCT測試后，也同樣是測試產(chǎn)品的電路通斷性能。在Leadframe封裝中，Leadframe材料和EMC材料結(jié)合處很容易水分滲入，這樣就容易腐蝕內(nèi)部的電路，腐蝕鋁而破壞產(chǎn)品功能。這種情況，一般建議用UV光來照射產(chǎn)品檢測Leadframe材料和EMC材料結(jié)合情況。
PCT針對性的解決方法就是提高Leadframe和EMC之間的結(jié)合力度，我們可以調(diào)節(jié)EMC材料成分，也可以針對性地處理Leadframe的表面。
8、Precon測試
Precon測試，即Pre-conditioning測試。從集成電路芯片封裝完成以后到實(shí)際再組裝，這個(gè)產(chǎn)品還有很長一段過程，這個(gè)過程包括包裝、運(yùn)輸?shù)?，這些都會損壞產(chǎn)品，所以我們就需要先模擬這個(gè)過程，測試產(chǎn)品的可靠性。這就是Precon測試。其實(shí)在Precon測試中，包括了前面的T/IC,TH等多項(xiàng)測試的組合。
Precon測試模擬的過程如下圖所示:
產(chǎn)品完成封裝后需要包裝好，運(yùn)輸?shù)浇M裝廠，然后拆開包裝把封裝后芯片組裝在下一級板子上，并且組裝還要經(jīng)過焊錫的過程，整個(gè)過程既有類似TC的經(jīng)過,也有類似TH的過程，焊錫過程也需要模擬測試。
整個(gè)Precon測試有一定的測試流程，測試前檢查電氣性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(用超聲波檢測）,確定沒有問題，開始各項(xiàng)惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，先是T/C測試模擬運(yùn)輸過程中的溫度變化，再模擬水分子干燥過程(一般的包裝都是真空包裝，類似于水分干燥），然后恒溫,定時(shí)放置一段時(shí)間(隨著參數(shù)的不同，分為6個(gè)等級，用于模擬開封后吸濕的過程），后模擬焊錫過程后再檢查電氣特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
模擬吸濕過程的6個(gè)等級如表7所示，1的等級，依次下降，看需要選擇等級。
在Precon測試中，會出現(xiàn)的問題有:爆米花效應(yīng)，脫層，電路失效等問題。這些問題都是因?yàn)榉庋b體會在吸濕后再遭遇高溫而造成的，高溫時(shí)，封裝體內(nèi)的水分變?yōu)闅怏w從而體積急劇膨脹，造成對封裝體的破壞。我們應(yīng)該減弱EMC的吸濕性解決爆米花效應(yīng)，減少封裝的熱膨脹系數(shù)，增強(qiáng)附著能力來脫層問題,防止電路失效發(fā)生。
只有在順利通過了Precon測試以后，才能保證產(chǎn)品能順利送到終用戶端,這就是Precon被放在個(gè)測試位置的原因所在。
終上所述,一個(gè)好的封裝要有好的可靠性能，必須有較強(qiáng)的耐濕，耐熱，耐高溫的能力，6個(gè)可靠性測試都逃不脫溫度，濕度這些內(nèi)容。我們通過可靠性測試能夠評估產(chǎn)品的可靠度，有利于回饋來封裝設(shè)計(jì)工藝，從而提高產(chǎn)品的可靠度。
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