半导体常见可靠性考评项目以及评价标准介绍

半导体器件的可靠性评估是确保其在各种应用场景下长期稳定运行的关键环节。以下是常见的可靠性考评项目及其评价标准的详细介绍：

1. 环境应力测试

(1) 高温工作寿命测试（HTOL, High Temperature Operating Life）

• 目的 ：评估器件在高温环境下的长期工作稳定性。

• 测试条件 ：

• 温度：通常为125℃或更高（依据规格书）。

• 偏置条件：施加额定电压/电流。

• 时间：通常为500~1000小时。

• 评价标准 ：

• 电参数（如漏电流、阈值电压）漂移不超过初始值的10%~20%。

• 失效数需满足FIT（Failures in Time）目标（如≤10 FIT）。

(2) 温度循环测试（TCT, Temperature Cycling Test）

• 目的 ：验证材料热膨胀系数差异导致的机械应力耐受性。

• 测试条件 ：

• 温度范围：-65℃至+150℃（典型）。

• 循环次数：500~1000次。

• 评价标准 ：

• 电性能无退化，无封装开裂或焊点断裂。

(3) 高加速温湿度测试（HAST, Highly Accelerated Stress Test）

• 目的 ：加速评估潮湿环境下的可靠性（替代传统THB）。

• 测试条件 ：

• 温度：110℃~130℃，湿度：85%RH。

• 偏置电压：额定电压的1.1~1.3倍。

• 时间：96~168小时。

• 评价标准 ：

• 漏电流增加不超过1个数量级，无腐蚀或分层失效。

2. 寿命加速测试

(1) 电迁移测试（Electromigration Test）

• 目的 ：评估金属互连在电流作用下的材料迁移风险。

• 测试条件 ：

• 电流密度：≥1×10^6 A/cm²（远高于正常工作条件）。

• 温度：150℃~250℃。

• 评价标准 ：

• 电阻变化率≤10%，无断路或短路。

(2) 负偏压温度不稳定性测试（NBTI, Negative Bias Temperature Instability）

• 目的 ：评估PMOS晶体管在高温负偏压下的阈值电压漂移。

• 测试条件 ：

• 温度：125℃~150℃。

• 偏压：Vg = -额定电压。

• 时间：1000小时。

• 评价标准 ：

• 阈值电压漂移ΔVth ≤ 50mV。

3. 机械可靠性测试

(1) 机械冲击测试（Mechanical Shock）

• 目的 ：验证器件抗冲击能力（如运输或跌落场景）。

• 测试条件 ：

• 加速度：1500G（汽车电子可能要求更高）。

• 冲击次数：3~5次/方向。

• 评价标准 ：

• 无封装破损、焊球断裂或电气性能失效。

(2) 振动测试（Vibration Test）

• 目的 ：模拟实际使用中的振动环境。

• 测试条件 ：

• 频率范围：10~2000Hz。

• 加速度：20G（依据应用场景调整）。

• 评价标准 ：

• 电参数稳定，无机械损伤。

4. 封装可靠性测试

(1) 焊球剪切力测试（Ball Shear Test）

• 目的 ：评估封装焊球的机械强度。

• 测试条件 ：

• 剪切速度：100~500μm/s。

• 评价标准 ：

• 剪切力需满足行业标准（如JEDEC JESD22-B117）。

(2) 气密性测试（Hermeticity Test）

• 目的 ：检测封装密封性，防止湿气侵入。

• 测试方法 ：

• 氦质谱检漏法或压力染色法。

• 评价标准 ：

• 漏率≤1×10^-8 atm·cc/s（军用标准更严苛）。

5. 静电放电测试（ESD & Latch-up）

(1) 人体模型（HBM, Human Body Model）

• 测试条件 ：

• 静电电压：±2kV~±8kV（依据器件等级）。

• 评价标准 ：

• Class 1A（≥±2kV）至Class 3A（≥±8kV）。

(2) 闩锁效应测试（Latch-up Test）

• 测试条件 ：

• 注入电流：100mA~500mA。

• 评价标准 ：

• 无不可恢复的闩锁现象。

6. 行业标准参考

• JEDEC标准 ：如JESD22系列（通用可靠性测试方法）。

• AEC-Q100/Q101 ：汽车电子可靠性标准（如温度等级Grade 0: -40℃~150℃）。

• MIL-STD-883 ：军用级可靠性要求（更严苛的测试条件）。

总结

可靠性评估需结合具体应用场景（消费级、工业级、车规级等）选择测试项目，并通过统计学方法（如Weibull分布）分析失效数据。最终目标是通过加速测试模拟实际寿命，确保器件在目标寿命期内（如10年）的失效率低于可接受阈值。