半导体封装的可靠性测试及标准介绍

本文将介绍半导体的可靠性测试及标准。除了详细介绍如何评估和制定相关标准以外，还将介绍针对半导体封装预期寿命、半导体封装在不同外部环境中的可靠性，及机械可靠性等评估方法。

什么是产品可靠性？

半导体产品的质量取决于其是否可以充分满足指定的标准及特性；而半导体产品的可靠性，是指在一定时间内无故障运行，从而提高客户满意度和复购率的能力。以此为前提，失效是指在产品使用过程中发生的故障，而缺陷是指在产品制造或检验过程中发生的错误。因此，产品缺陷属于质量问题，而产品在保修期内频繁出现故障则属于可靠性问题。

▲ 图1：质量与可靠性的区别（ⓒ HANOL出版社）

图1列举了质量及可靠性在含义和特性方面的区别。具体来讲，可靠性是指系统、零件或材料在特定的时间、距离或使用频次下，保持初始质量和性能的能力。要满足这一点，就必须要求产品在指定条件下，如规定使用方式或特定的环境因素中保持无故障运行状态。因此，半导体企业在产品量产前，必须先评估产品的质量和可靠性是否达到行业标准。此外，在产品量产期间，企业也应定期检查产品的质量和可靠性。

评估产品可靠性最为重要的一步，是事先明确可靠性评估标准。举例来说，如果一家企业准备出货100件产品，那么该企业则需要考虑以下问题：这些产品中有多少件在三年后依然可以正常使用？产品使用期间的运行模式？能否保证90%的产品在五年后仍可正常使用？95%的产品可以正常使用多长时间？

验证这些标准需进行测试。理想情况下，产品需接受三年期、五年期甚至更长期限的测试，以确保其在不同时间范围内的可靠性。但如果将大量时间花费在产品评估上，会使产品量产时间大幅度推迟。因此，企业通常会采用加速测试和统计技术来评估可靠性，此外，还可以通过可靠性函数、产品寿命分布、及平均寿命等计算方式，在较短时间内完成可靠性验证。

国际半导体标准化组织（JEDEC）标准

半导体设计和制造企业可以自行评估旗下产品的可靠性，并将评估结果提供给客户，客户可根据评估结果来判定产品是否满足其需求，或自行开展可靠性评估测试。但如果半导体企业和客户采用的评估标准存在差异，那么双方就不得不对标准进行统一，而这是一项非常耗时的工作。作为解决方案，半导体企业通常会采纳“国际半导体标准化组织旗下固态技术协会1”（简称JEDEC）规定的标准，来同时满足企业及客户的需求。

1JEDEC旗下固态技术协会（JEDEC Solid State Technology Association）：为微电子行业制定统一标准和出版物的领导机构。

JEDEC的主要职责是帮助制造商和相关组织，共同审查和制定如集成电路（Integrated Circuit）等电子设备的统一标准。随着其所制定的标准被广泛视为国际标准，JEDEC已成为实际意义上的全球半导体行业标准制定机构。

该组织董事会（Board of Directors, BoD）负责决定政策和程序，并拥有JEDEC标准的最终审批权。此外，JEDEC下设众多委员会（JEDEC Committee, JC），为各自擅长的专业领域制定标准。其中，部分重要的服务半导体行业的委员会及其职责为：JC-14固态产品质量与可靠性委员会，负责为固态产品制定相关标准；JC-11机械标准化委员会，负责制定模块及半导体封装外观标准；JC-42固态存储器委员会，负责制定DRAM标准；JC-63多芯片封装委员会，负责制定移动多芯片封装标准。

如果某企业想要为旗下产品制定标准，首先可以提交标准提案，由相应的委员会成员进行投票表决。无论规模大小，每家企业均有一票投票权。委员会投票通过后，标准提案还需经由董事会投票再次表决，两轮投票通过后，提案将被确立为JEDEC标准，并向各行业公示。

评估产品寿命的可靠性测试

除国际评估标准外，还有许多用于评估产品可靠性的指标，包括评估半导体产品寿命的指标。

早期失效率

早期失效率（Early Failure Rate, EFR）用于估算产品在用户使用环境下，一年内发生的设备故障次数。对于某些产品而言，由于系统寿命不同，或要求更高标准的产品可靠性，这一期限可短至六个月或延长至一年以上。如图2所示，老化测试（Burn-in）2用于筛查可能在短期内失效的产品，而早期失效率用于验证筛查后产品的潜在失效率是否保持在可接受的水平。测试条件根据相关半导体产品的温度及电压加速因子进行设定和评估。

2老化测试（Burn-in）：是指对产品施加电压和温度应力，以便在早期阶段消除产品潜在缺陷的测试。封装后执行的老化测试被称为“老化中测试（TBDI）”。

▲ 图2：浴盆曲线中的早期失效率（EFR）区，及产品失效率随时间发生变化的三个阶段

（ⓒ HANOL出版社）

高低温工作寿命测试

高温工作寿命（High Temperature Operating Life Test, HTOL）测试是最常见的产品寿命评估类型之一，旨在评估产品在使用期间由温度和电压应力引起的问题。高温工作寿命测试是相对全面的测试方式，它不仅可以评估早期失效，同时可以识别由事故或损耗造成的失效问题。同样，低温工作寿命（Low Temperature Operating Life Test, LTOL）测试可用于评估因受到热载流子（Hot Carrier）3影响而发生失效的概率，但由于施加了电压和温度，也存在导致产品失效的其它情况发生。

3热载流子（Hot Carrier）：晶体管尺寸缩小并导致通道变短后，电场会被增强。热载流子是在此现象发生后，所产生的极度活跃的移动电子。一般来说，这种短通道效应发生在半导体晶体管中。

高温存储寿命测试

高温存储寿命（High Temperature Storage Life, HTSL）测试用于评估产品在高温储存条件下的可靠性。受扩散、氧化、金属间化合物形成、及封装材料化学降解等因素影响，高温储存条件可能会对产品寿命产生影响。

耐久性和数据保留性能测试

耐久性测试用于评估NAND闪存等产品可以承受的编程/擦除（Program/Erase, P/E）周期的次数。对于NAND产品而言，一个关键的可靠性评估指标是数据保留能力。该指标衡量的是，在无电源供应情况下的一定时间内，数据在存储单元中可保留的时长。