3 可靠性测试的 /三垦电气

3.1 可靠性测试的目的

确认半导体设备是否足以承受从生产到运输，以及市场销售过程中的客户压力，同时保持并提高可靠性而实施。

可靠性测试的内容

可靠性测试大致可分为 3 类。在设计开发阶段、量产试作阶段、量产开始后的各个阶段进行测试，确认没有问题。

可靠性测试的方法

关于可靠性测试的方法，在“日本工业标准（JIS）”、“日本电子信息技术产业协会标准（JEITA）”、“美国军用标准（MIL）”、“国际电工委员会标准（IEC）”等都有各种标准化测试方法。本公司主要参照“日本电子信息技术产业协会标准（JEITA）”实施测试。

3.2 可靠性测试的方法

1) 开发新工艺时

要提高如今日益微型化、复杂化的集成电路产品的可靠性，仅仅依靠实际产品的评估来找出所有内部元件的问题非常有难度，而且效率低、不经济。因此，通过实施晶片工艺的寿命测试（HCI, TDDB, BTI, EM, SM）,来确认可以达到预期的寿命。另外，有必要在单个元件的层面，对组成集成电路的有源元件（Tr）、无源元件（Di、C、R）、配线等的可靠性进行充分的评估和掌握。尤其是围绕微型化去构建新工艺时，使用可靠性用 TEG（Test Element Group），来检测可靠性上是否有基础性的问题。

2) 单个产品开发阶段

在此阶段，大概进行两次产品试作。

设计后的试作: 验证是否满足在开发企划阶段设想的特性或可靠性
量产试作: 在量产生产线上进行试作，

－确认对 (1) 阶段试作中发现的问题所采取的对策是否有效
－确认量产时是否会有问题

围绕以上两点内容进行验证。可靠性的评估基本在每次试作中进行。

3) 定期可靠性评估

为了确认开发阶段预想的可靠性水平，在进入量产后是否能够持续地保持，定期从量产品中抽取样品，实施可靠性评估。综合考虑贴装工序、组装工序、生产场所等因素的基础上，确定典型型号进行评估。

3.3 可靠性测试的标准

JEITA标准	测试方法	测试项目
JEITA EDR-4704B		半导体器件的加速寿命测试应用指导
JEITA EDR-4708B		半导体集成电路可靠性认定应用指导
JEITA EDR-4711A		个别半导体可靠性认定的应用指导
JEITA ED-4701/002		寿命测试的测试时间，数量的决定步骤
JEITA ED-4704A 半导体器件的贴装工序的可靠性测试方法	A-101	HCI：MOSFET热载流子的注入测试
	A-102	BTI：MOSFET偏压·温度不稳定性测试
	A-104	TDDB：绝缘膜的老化绝缘破坏测试
	B-101	EM：恒流电子迁移测试
	B-102	SM：铜线的应力迁移测试
JEITA ED-4701/100A 寿命测试Ⅰ	101A	高温动作寿命测试
	101A	高温偏压测试
	102A	高温高湿偏压测试
	103A	高温高湿储存测试
	104A	加湿+贴装应力测试
	105A	温度循环测试
	106A	间歇动作测试
JEITA ED-4701/200A 寿命测试Ⅱ	201A	高温储存测试
JEITA ED-4701/200A 寿命测试Ⅱ	204A	盐水喷雾测试
JEITA ED-4701/301A 强度测试Ⅰ-1	301D	焊锡耐热性测试
	302A	焊锡耐热性测试
	303A	可焊性测试
JEITA ED-4701/302A 强度测试Ⅰ-2	304A	人体模型静电破坏测试（HBM/ESD）
	305D	设备带电模型静电破坏测试（CDM/ESD）
	306C	锁定测试
JEITA ED-4701/400A 强度测试Ⅱ	401A	引脚强度测试
	402	紧固强度测试
	403A	振动测试
	404A	冲击测试
	405A	恒定加速度测试
JEITA ED-4701/500A 其他测试	501A	标记的耐溶剂性测试
JEITA ED-4701/500A 其他测试	503	气密性测试
JEITA ED-4701/600 个别半导体的特有测试	601	功率循环测试（树脂密封型）
	602	功率循环测试（案件类型／时间短）
	603	功率循环测试（案件类型／时间长）

测试标准	测试方法
JIS C 60068-2-82	电子和电气部件用晶须试验方法
IEC 63287-1	IC可靠性鉴定指南

3.4 加速模型与降额

即使按照个别规定，在绝对最大额定规格或动作范围内使用，半导体的可靠性也会因降额程度而大幅变化。客户在设计机器时，务必充分预估安全余量，进行合理的降额。我司定义的JEITA EDR-4708B/EDR-4711A品质等级，是在普通的操作环境内所实施的信赖性验证。

下面以根据可靠性测试结果预测市场寿命时经常用到的温度加速模型、温差加速模型以及湿度加速模型为基础，对降额进行说明。

关于产生电气应力的因素，一般可以考虑因自发热导致的温度加速或温差加速，但是，如果发生电气应力急剧增加或其他应力有异常情况时，请向本公司咨询。

温度加速模型（阿伦尼斯模型）

阿伦尼斯模型由瑞典科学家阿伦尼斯提出，是在一定温度下预测化学反应速度的模型，常用于预测半导体的寿命。

$L = A \exp (\frac{Ea}{k T})$

L：寿命
A：常数
Ea：活化能量 (eV)
k：玻尔兹曼常数 8.6173×10^-5（eV/K）
T：绝对温度（K）

假设在降额温度 T1 下的寿命为 L1，可靠性测试温度 T2 的持续时间为 L2，则可通过以下公式计算加速系数 α。

$α = \frac{L 1}{L 2} = \exp {\frac{Ea}{k} (\frac{1}{T 1} - \frac{1}{T 2})}$

下图是按照上述思路并根据本公司的实验值制作的温度降额曲线示例。

Au 线 Al 电极间合金化（柯肯达尔空洞）寿命示例
（从高温储存 150℃、160℃、175℃ 实验结果导出）

温差加速模型（艾林模型）

温差加速模型采用了美国理论化学家提出的艾林模型，重复外加的温差与寿命循环数用以下公式表示。

$L = A \times Δ T^{-n}$

L：寿命
A：常数
ΔT：温差
n：温差系数

利用这个公式并假设降额温差⊿T1下的寿命循环数为 L1，可靠性测试温差⊿T2的执行循环数为 L2，则温差加速系数α_⊿T的计算公式如下。

$α_{ΔT} = \frac{L 1}{L 2} = {(\frac{ΔT 2}{ΔT 1})}^{n}$

下图是按照上述思路并根据本公司的实验值制作的温差降额曲线示例。

芯片接合部（焊锡老化）寿命示例
(从电源循环 ⊿70℃、⊿90℃、⊿100℃ 实验结果导出)

湿度加速模型

关于湿度加速模型的方案有很多，这里仅对其中的绝对水蒸气压力模型与相对湿度模型展开说明。

● 绝对水蒸气压力模型/水蒸气加速系数

该模型假设，达到一定的累积故障概率所需的时间 L 与水蒸气压力 Vp 相关。

$L = A \times {V_{P}}^{-n}$

A：常数
n：2（参考值）

在上述公式中，分别假设降额状态下的水蒸气压力与寿命为 Vp1 和 L1，可靠性测试状态下为 Vp2 和 L2，则可通过以下公式算出水蒸气压力加速系数 αVp。

$α_{VP} = \frac{L 1}{L 2} = {(\frac{V_{p2}}{V_{p1}})}^{n}$

V_P1：降额状态下的水蒸气压力
L1：降额状态下的寿命
V_P2：可靠性测试状态下的水蒸气压力
L2：可靠性测试状态下的寿命

并且，在某个温度 T 下的饱和水蒸气压力 e(T) 可由 Tetens 公式算出近似值。

$e (T) = 6.1078 \times 10^{\frac{7.5T}{(T + 237.3)}} (hPa)$

● 相对湿度模型/湿度加速系数

该模型假设，达到一定的累积故障概率所需的时间 L 与相对湿度 RH(%) 以及温度 T(℃) 相关。

$L = A \times {RH}^{-n} \times \exp^{(\frac{Ea}{kT})}$

A：常数
Ea：活化能（eV）
k：玻尔兹曼常数　8.617×10^-5（eV/K）

从这个公式，则可通过以下公式算出湿度加速系数α_H。

$α_{H} = \frac{L2}{L1} = {(\frac{RH1}{RH2})}^{n}$

RH1：标准状态下的相对湿度
L1：标准状态下的寿命
RH2：加速状态下的相对湿度
L2：加速状态下的寿命

按照上述思路，在压力锅测试 (121℃, 100%, 100h) 的测试条件下，绝对水蒸气压力模型及相对湿度模型的相关曲线示例如下。

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