IC芯片可靠性測試技術(shù)的深度剖析

一、IC芯片可靠性測試技術(shù)的基本概念

IC芯片可靠性測試是指通過對芯片進行各種應力條件下的測試，評估其在規(guī)定時間內(nèi)能否正常工作，以及出現(xiàn)故障的概率和故障原因的測試過程 。這一測試至關重要，因為IC芯片已成為各種電子設備的核心組件，像手機、電腦等設備都依賴IC芯片運行。其可靠性直接影響設備的性能和穩(wěn)定性，是保證設備正常運行的關鍵因素。并且有助于提高芯片的質(zhì)量和可靠性，避免因芯片故障而導致的損失和安全問題，例如在航空航天設備或者醫(yī)療設備中，如果芯片出現(xiàn)故障可能會導致災難性的后果 。

從測試類型看，IC芯片可靠性測試包含多種類型。環(huán)境應力篩選是通過模擬芯片實際工作環(huán)境中的應力條件，從而篩選出存在潛在故障的芯片。芯片在不同工作環(huán)境下會面臨諸如溫度、濕度等各種應力，通過環(huán)境應力篩選可以將那些在正常工作環(huán)境中可能出現(xiàn)故障的芯片找出來。例如在高溫高濕環(huán)境中，芯片可能會發(fā)生短路或者性能下降等問題，該測試就能提前發(fā)現(xiàn)此類隱患 。

高加速壽命試驗的目的在于加速芯片的老化過程，進而評估其在使用壽命期間的可靠性。由于隨著芯片技術(shù)發(fā)展，正常使用壽命內(nèi)的自然老化檢測耗時太長，所以該測試可在短時間內(nèi)模擬長時間使用的效果。這是利用更高的電壓、溫度等作為加速因子，通過與實際正常使用下的壽命曲線對比，可以預測芯片在實際使用中的壽命情況 。

高溫反偏試驗則是在高溫條件下對芯片施加反向電壓，檢測其耐受能力和可靠性。這種工況在芯片實際運行中是可能遇到的極端情況之一，例如某些特殊電路中，芯片可能會處于高溫且有反向電壓的工作環(huán)境。通過該試驗，可以知道芯片在此極端狀況下的性能表現(xiàn) 。

電氣特性測試主要專注于測試芯片的電流、電壓等電氣特性，以評估其性能和可靠性。芯片的各項功能實現(xiàn)都基于其內(nèi)部的電學環(huán)境，通過測試電流、電壓等特性，可以及時發(fā)現(xiàn)電路是否存在短路、斷路或者其他異常情況，保障芯片的正常工作 。

功能測試是通過輸入預設的測試模式，檢查芯片的輸出是否符合預期，從而驗證其功能正常。從設計角度看，每個芯片都有其特定功能，功能測試就是確保這種設計功能在實際測試中得到實現(xiàn)，這是確保芯片滿足設計功能要求最基本的測試類型 。

故障模擬與仿真包含故障注入和仿真分析。故障注入是通過模擬故障情況，評估芯片在異常條件下的可靠性，進一步挖掘芯片在特殊工況下故障應對能力及穩(wěn)定性隱患，為芯片設計和可靠性優(yōu)化提供依據(jù)；仿真分析是利用計算機仿真技術(shù)，模擬芯片在實際工作環(huán)境中的性能表現(xiàn)。仿真分析的優(yōu)勢是能在更短時間內(nèi)覆蓋更多測試場景，從理論層面評估芯片可靠性，相比實際測試更加高效 。

二、常見的IC芯片可靠性測試方法

（一）溫度循環(huán)測試

溫度循環(huán)測試旨在評估芯片在不同溫度條件下的性能和可靠性，以模擬實際使用環(huán)境中的溫度變化 。其測試溫度通常涵蓋了芯片所需的操作溫度范圍，包括常溫、極端高溫和低溫，如- 40°C到125°C之間的循環(huán)變化 。測試中會進行多個溫度循環(huán)，一個典型的循環(huán)包括一段時間的高溫暴露和一段時間的低溫暴露，循環(huán)次數(shù)可依據(jù)芯片的設計壽命要求來確定。

具體的測試過程中，模擬在高溫循環(huán)期間，芯片被暴露在高溫環(huán)境中，可能通過熱板、熱箱來實現(xiàn)。這種高溫環(huán)境下的測試能夠揭示芯片在高溫條件下的性能特性，如功耗可能會因為長時間高溫存儲使芯片內(nèi)部電路中的漏電流增加而變化，并且內(nèi)部的特性參數(shù)可能會隨著溫度的變化而發(fā)生漂移，導致性能降低 。同理，在低溫環(huán)境下，芯片的性能同樣可能受到影響，如材料變脆等。通過多個溫度循環(huán)，可以檢測到由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)應力、熱膨脹差異、焊點疲勞等問題，這些問題有可能導致接觸不良、焊接斷裂、金屬疲勞等故障 。

（二）濕熱測試

濕熱測試是將芯片放置在高溫高濕環(huán)境中，例如85°C和85%相對濕度的環(huán)境中持續(xù)一段時間 。該測試是對芯片在潮濕環(huán)境下性能的評估。芯片的封裝材料、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)等都會受到濕度的影響。在高濕度環(huán)境下，水分可能會滲透到芯片內(nèi)部，導致電氣性能下降，例如使絕緣性能降低而產(chǎn)生短路現(xiàn)象，也可能引起芯片表面或內(nèi)部的材料腐蝕、膨脹或者剝離。在測試過程中，需要檢查芯片的電氣性能和物理完整性，從而評估其對潮濕環(huán)境的抵抗能力，對于驗證芯片在惡劣環(huán)境下能否正常工作具有重要意義。

（三）高加速壽命測試（HALT）

HALT通過加速應力（如溫度、振動等）快速評估芯片的失效模式和壽命 。在實際中，芯片的正常使用壽命可能很長，像很多電子設備中的芯片可能有5 - 10年甚至更長的使用壽命，但是為了能在短時間內(nèi)評估芯片的可靠性，就采用這種加速測試方法。加速應力例如溫度，可以提高到超出正常工作范圍的溫度，通過這種極端條件，識別潛在的設計缺陷和材料問題，從而確定芯片的可靠性極限。這樣可以在芯片研發(fā)和生產(chǎn)的早期階段就發(fā)現(xiàn)問題，以便采取改進措施提高芯片的可靠性。

（四）電氣應力測試

電氣應力測試是施加超出正常工作范圍的電壓和電流，然后觀察芯片的響應 。在正常工作情況下，芯片的電壓和電流是有一定的標準范圍的，而該測試故意偏離這個范圍。例如，對于一個正常工作電壓為3.3V的芯片，可能會施加4V或者更高的電壓，在更高的電壓下，芯片內(nèi)部的電子遷移速度加快，可能會引起材料的電遷移問題，使芯片的某些部分性能下降，如金屬導線電阻增大或者出現(xiàn)斷路等。通過這個測試可以檢查芯片在過載條件下的耐受能力和失效模式，這對于評估芯片在特殊工況下或者在受到電源波動時的安全性和可靠性具有重要價值。

（五）機械應力測試

機械應力測試包含振動、沖擊和跌落測試等，主要目的是評估芯片在機械應力下的性能 。在芯片的生產(chǎn)、運輸、使用過程中，都可能會遭遇各種機械應力。例如，在一些便攜式電子設備中，如手機，芯片可能會因為設備的不慎跌落而受到?jīng)_擊；在振動環(huán)境比較大的設備中，如汽車內(nèi)部的電子控制系統(tǒng)中的芯片，會持續(xù)受到振動影響。通過振動、沖擊和跌落測試，可以觀察芯片的物理完整性和功能穩(wěn)定性，檢測到由于跌落或震動引起的連接斷裂、結(jié)構(gòu)損壞、材料破裂等問題，從而分析芯片在實際使用條件下的抗沖擊和抗振動能力，并為改進設計和制造過程提供參考。

（六）老化測試

老化測試通常是在高溫下讓芯片持續(xù)工作一段時間，以加速老化過程 。高溫是加速老化的一個有效手段，一般的測試溫度會在較高的范圍內(nèi)選取，如100°C - 150°C。在這個過程中，芯片的電氣特性、性能和可靠性會隨著時間發(fā)生變化。長時間的高溫可能會導致芯片內(nèi)部出現(xiàn)諸如熱擴散、結(jié)構(gòu)破壞或材料衰變等問題，從而引起電阻變化、電流漏泄、接觸不良、金屬遷移等故障。通過在老化過程中對芯片的性能監(jiān)測，可以評估芯片的長期穩(wěn)定性，確保芯片可以在長時間使用過程中保持穩(wěn)定的性能。

（七）電磁干擾測試

芯片在工作過程中可能會受到電磁干擾（EMI），也需要滿足電磁兼容性（EMC）的要求。電磁干擾測試就是測試芯片在電磁干擾和電磁兼容性條件下的表現(xiàn) 。在現(xiàn)代電子設備日益復雜的電磁環(huán)境中，一個芯片可能會受到來自其他電子元件、外部環(huán)境產(chǎn)生的電磁輻射影響。例如，在一個布滿眾多電子設備的機房內(nèi)，芯片可能會受到其他設備的電磁輻射干擾。如果芯片的電磁兼容性不好，就可能在受到干擾時出現(xiàn)功能不穩(wěn)定或者性能下降的情況。通過該測試，可以檢查芯片在干擾環(huán)境中的功能和穩(wěn)定性，確保芯片不會因為電磁干擾而出現(xiàn)錯誤動作或者功能喪失。

（八）靜電放電（ESD）測試

ESD測試是通過施加靜電放電，來測試芯片對靜電的耐受能力 。在芯片的生產(chǎn)、運輸、使用過程中，都有可能會產(chǎn)生靜電。比如在干燥的環(huán)境中，當人們將芯片從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方時，由于摩擦等原因很容易產(chǎn)生靜電。而芯片是一個對靜電比較敏感的電子元件，當芯片遇到靜電放電時，可能會出現(xiàn)內(nèi)部電路被擊穿、性能參數(shù)改變、功能失效等問題。ESD測試通過對芯片施加不同程度的靜電放電，模擬實際可能出現(xiàn)的靜電情況，從而檢測芯片能否在一定程度的靜電影響下保持正常的性能和功能。

（九）功能測試

在不同的環(huán)境條件下進行功能測試，是確保芯片在預期工作條件下的性能的最佳方式 。功能測試是從功能角度驗證芯片是否符合設計要求的基本測試方法。芯片的設計功能復雜多樣，不同的芯片有不同的功能要求。例如，一個圖像處理芯片，需要對輸入的圖像數(shù)據(jù)進行特定的濾波、增強等圖形處理功能，功能測試就需要輸入各種不同的圖像數(shù)據(jù)，檢查芯片的輸出是否按照設計預期進行處理。無論是在理想的實驗室環(huán)境下，還是在經(jīng)過一些其他可靠性測試（如高溫、濕度、機械應力等測試后），功能測試都是必不可少的，這是保證芯片功能可靠性的最低防線。

（十）失效分析

失效分析是對已經(jīng)失效的芯片進行詳細分析，找出失效原因的測試方法。在芯片的研發(fā)、生產(chǎn)、使用過程中，不可避免會出現(xiàn)芯片失效的情況。通過失效分析，可以圍繞芯片的設計、制造、使用等多個環(huán)節(jié)進行深入排查。比如，從設計結(jié)構(gòu)看是否存在不合理之處，從制造工藝上看是否存在一些可導致芯片失效的操作失誤或者工藝誤差，從使用過程看是否受到了一些不正常的應用環(huán)境或者操作失誤影響。例如利用顯微鏡等設備對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行觀察，檢查是否存在金屬短路、開路點等物理缺陷或者材料異常；也可以對芯片的電學性能進行測試分析，看是否存在電學參數(shù)的異常變動導致芯片失效，一旦找到失效原因，就可以對后續(xù)的芯片生產(chǎn)或者設計提出改進建議，從而提高芯片的可靠性。

三、IC芯片可靠性測試的標準與規(guī)范

（一）JEDEC相關標準

JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）電子設備工程聯(lián)合委員會制定了許多IC芯片可靠性測試相關的標準。例如JEP47標準規(guī)定了基于高加速條件下的測試要求，如果產(chǎn)品通過基于該標準的測試，則表示器件能用于大多數(shù)使用情況。其中的溫度循環(huán)（TC）測試，按照JED22 - A104標準，是讓部件經(jīng)受極端高溫和低溫之間的轉(zhuǎn)換，將部件反復暴露于這些條件下經(jīng)過預定的循環(huán)次數(shù)。這個標準適用于多種芯片產(chǎn)品，可以有效地檢測芯片在溫度變化過程中的性能穩(wěn)定性，評估其對溫度變化的耐受能力 。

（二）高溫工作壽命（HTOL）標準

HTOL測試通常根據(jù)JESD22 - A108標準長時間進行，該測試用于確定高溫工作條件下的器件可靠性 。這對于那些在高溫環(huán)境下長時間工作的芯片，如汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)中的芯片或者一些高溫工業(yè)用途的芯片具有重要意義。按照該標準的測試能夠讓芯片在規(guī)定的高溫環(huán)境下工作一定的時間，然后監(jiān)測芯片的各種性能參數(shù)，從而判斷芯片是否還能正常工作并且滿足性能要求。

（三）溫濕度偏壓高加速應力測試（BHAST）標準

根據(jù)JESD22 - A110標準，BHAST可以讓器件經(jīng)受高溫高濕條件下的可靠性試驗。處于高溫高濕環(huán)境并且?guī)в幸欢ǖ钠珘菏呛芏嘈酒瑢嶋H工作環(huán)境的一種較為惡劣的等效情況，通過這個測試可以確保芯片在這種極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。

（四）其他標準與規(guī)范

• 濕度測試：將芯片置于不同濕度環(huán)境下，檢測芯片性能是否受到濕度影響，如在高濕度環(huán)境下是否會出現(xiàn)短路等問題。這是確認芯片環(huán)境適應性的一個重要測試方面，類似于濕熱測試但更側(cè)重于濕度單一因素對芯片性能的影響。

• 靜電放電（ESD）測試：檢測芯片在靜電場中的穩(wěn)定性和抗擾動能力，防止芯片在受到靜電放電時出現(xiàn)損壞或性能異常，該測試有一定的通用測試標準和要求，以確保測試的一致性和有效性。

• 熱老化測試：進行高溫長時間的老化測試，目的是檢測芯片在高溫下的穩(wěn)定性和壽命。不同的芯片產(chǎn)品類型或者應用場景可能對熱老化測試的溫度、時間等參數(shù)有不同的規(guī)定或者參考標準。

• 震動測試：模擬芯片在工作過程中的振動，以評估其機械強度、結(jié)構(gòu)設計、制造工藝等方面的可靠性。震動測試一般有對應的速度、幅度、頻率等參數(shù)標準來規(guī)范測試過程，使測試具有可重復性和可比性。

• 壓力測試：對芯片結(jié)構(gòu)進行壓力測試，以測試其脆性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。針對不同類型芯片、不同封裝結(jié)構(gòu)，壓力測試的壓力范圍、加載方式等也有相應的測試要求或者參考標準。

• 焊接可靠性測試：測試芯片焊接點的疲勞壽命和抗裂性。這個測試對于確保芯片在PCB板或其他應用載體上的電氣連接穩(wěn)定性至關重要，有專門針對焊接質(zhì)量檢測的標準和要求。

四、先進的IC芯片可靠性測試技術(shù)案例

（一）采用3D - IC（三維集成電路）結(jié)構(gòu)芯片的可靠性測試

隨著芯片技術(shù)向小型化、多功能化發(fā)展，3D - IC結(jié)構(gòu)的芯片應運而生。3D - IC芯片是通過將多個芯片分層疊放并進行垂直互聯(lián)的方式構(gòu)建的，這種結(jié)構(gòu)可以大大提高芯片的集成度和性能。但是，它也帶來了新的可靠性挑戰(zhàn)。

例如，在進行電氣特性測試時，由于疊層結(jié)構(gòu)使得電路連接更加復雜，電流傳輸路徑中的電阻、電容等參數(shù)受到層間介質(zhì)、互聯(lián)結(jié)構(gòu)等因素的影響更大。傳統(tǒng)的平面芯片測試方法不再適用，需要采用更加先進的測試技術(shù)。利用微納探針可以實現(xiàn)對3D - IC芯片內(nèi)部不同層級間的精準電學性能測試，針對于不同層級結(jié)構(gòu)之間的的信號傳輸損耗、信號完整性等進行測量和評估，從而確保整個芯片在電氣特性上的可靠性 。

在熱性能測試方面，3D - IC結(jié)構(gòu)芯片的散熱問題更為嚴重。因為多層結(jié)構(gòu)限制了熱量的散發(fā)，熱量容易在芯片內(nèi)部積聚。使用紅外熱成像技術(shù)實時監(jiān)測芯片在工作過程中的溫度分布，能夠直觀地發(fā)現(xiàn)芯片內(nèi)部的熱熱點位置，并且可以據(jù)此優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)或者調(diào)整工作負載，提高芯片的熱可靠性。

（二）車載芯片的高可靠性測試

車載芯片面臨著更為復雜和惡劣的工作環(huán)境。例如，汽車啟動和停止瞬間的電源電壓波動非常大，而且車輛行駛過程中會不斷受到震動、溫度變化（從寒冷的冬天到炎熱的夏季）以及潮濕、灰塵等環(huán)境因素的影響。

針對車載芯片的高加速壽命測試（HALT），采用更為復雜和極端的加速應力。除了傳統(tǒng)的溫度、電壓加速因子外，還考慮到震動頻率、加速度等機械應力。通過模擬汽車在各種極端路況（如顛簸的鄉(xiāng)村道路、高速公路的高速行駛）下的機械震動，與溫度、電壓變化相結(jié)合，全面評估車載芯片在使用壽命期間的可靠性。

另外，對于車載芯片的電磁兼容性（EMC）測試，由于車輛內(nèi)部有眾多的電子設備，如發(fā)動機控制系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，這些設備之間的電磁干擾情況復雜多樣。采用更嚴謹?shù)腅MC測試設備和環(huán)境，模擬各個設備同時工作時產(chǎn)生的電磁干擾場景，確保車載芯片在這種高強度電磁干擾環(huán)境下依然能夠正常工作。

五、IC芯片可靠性測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

（一）更加自動化和智能化

隨著芯片技術(shù)不斷發(fā)展，芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理變得日益復雜，傳統(tǒng)的人工測試已經(jīng)很難滿足大規(guī)模生產(chǎn)和高可靠性要求。自動化測試設備（ATE）技術(shù)不斷進步，能夠快速、準確地執(zhí)行大量的測試，提高測試效率的同時還能保證高精度的測量，有效檢測微小的性能差異 。

并且，隨著人工智能（AI）和機器學習（ML）的發(fā)展，在IC芯片可靠性測試中的應用也越來越廣泛。例如，機器學習算法可以分析大量的測試數(shù)據(jù)，自動識別芯片潛在的可靠性問題或者異常模式。智能優(yōu)化技術(shù)可以自動優(yōu)化測試流程，根據(jù)芯片的類型、測試項目的優(yōu)先級等因素，合理安排測試順序，減少測試時間。同時，利用AI技術(shù)還可以對芯片在實際工作環(huán)境中的可靠性進行預測，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)故障的芯片，為芯片的設計、生產(chǎn)和維護提供指導意見。

（二）多物理場耦合測試

伴隨著新型芯片因具備高密度、高集成度、多功能等特征所帶來的更為復雜的熱、電、力等多物理場耦合效應，多物理場耦合測試逐漸成為IC芯片可靠性測試的發(fā)展方向。芯片在工作過程中，溫度、濕度、應力、電場、磁場等物理因素相互交織影響芯片的可靠性。傳統(tǒng)的單一物理場測試方法難以對這種復雜的耦合效應進行全面準確的評估。

多物理場耦合測試則是將熱、電、力等多個物理場的測試條件進行綜合考慮并同時施加，模擬芯片在實際復雜工作環(huán)境中的真實狀態(tài)。例如，在模擬一個服務器芯片的工作場景時，不僅要考慮芯片內(nèi)部的電學特性和散熱導致的溫度場變化，還要考慮服務器機箱的機械振動對芯片結(jié)構(gòu)造成的應力場影響，在測試過程中將這幾種物理場同時作用在芯片上進行評估，以此得到接近真實環(huán)境下芯片的可靠性狀況，并且可以對芯片設計、封裝等過程進行優(yōu)化，提高芯片在多物理場耦合環(huán)境下的可靠性表現(xiàn)。

（三）原位測試技術(shù)

原位測試技術(shù)是指在芯片的實際工作環(huán)境或者狀態(tài)下直接進行測試，而不需要將芯片從設備中取出或者改變其運行狀態(tài)。這種測試技術(shù)使得測試結(jié)果更能反映芯片的實際可靠性。例如，對于植入人體的醫(yī)療芯片，傳統(tǒng)的測試方法需要將芯片從使用環(huán)境中取出進行測試，這不僅操作復雜而且可能會影響芯片的正常工作。而原位測試技術(shù)可以利用微型傳感器、無線通信技術(shù)等手段，直接在芯片處于植入人體正常運作的狀態(tài)下進行性能和可靠性的測試，這樣獲取到的數(shù)據(jù)更接近實際情況，對芯片的后續(xù)改進以及醫(yī)療設備整體性能的提高都有重要意義。

（四）非破壞性與無接觸測試

在芯片測試過程中，為了避免傳統(tǒng)測試方法對芯片造成的損壞或者污染，非破壞性、無接觸的測試方法備受關注與發(fā)展。例如，光學探測技術(shù)，通過反射、折射、散射等光學原理對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能進行檢測，無需與芯片進行物理接觸，不會對芯片造成任何機械損傷。另外，電容耦合非接觸式測試方法，利用芯片在電場中的電容效應來獲取芯片的電學特性信息，無需在芯片上進行電極連接等操作，有效保護了芯片的完整性。這些非破壞性與無接觸測試技術(shù)可以大大提高測試后芯片的可用性，對于一些對芯片完整性要求較高，如航空航天、高端醫(yī)療設備中的芯片，有著重要的應用價值。

IC芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

·         合明科技運用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強有力的支持。