HTOL vs. THB vs. HAST vs. Temperaturwechseltest vs. HTS: Bedingungen, Zweck, Ausfälle
Die meisten Zuverlässigkeitstests für Halbleiter sind beschleunigte Tests: Sie belasten die Bauteile stärker mit Temperatur, Spannung, Feuchte und Temperaturwechseln als im realen Einsatz, damit Ausfälle früher auftreten und sich Lebensdauer und Ausfallrate in kurzer Zeit prüfen lassen. HTOL betreibt Bauteile bei hoher Temperatur unter Spannung und bewertet die Alterung des Chips selbst, etwa durch TDDB und Elektromigration. Der Temperatur-Feuchte-Bias-Test (THB) und HAST sind Feuchtebeständigkeitstests, die mit Feuchte und Spannung feuchtebedingte Ausfälle wie Korrosion beschleunigen; HAST erreicht mit Wasserdampf unter Druck eine ähnliche Bewertung in kürzerer Zeit. Der Temperaturwechseltest wiederholt hohe und tiefe Temperaturen und bewertet die Ermüdung durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien, der Hochtemperatur-Lagertest die Alterung allein durch Temperatur, ohne Spannung. Da jeder Test auf andere Ausfälle zielt, kombiniert die Produktqualifikation sie.
| Merkmal | HTOL | Temperatur-Feuchte-Bias-Test (THB) | HAST | Temperaturwechseltest | Hochtemperatur-Lagertest (HTS) |
|---|---|---|---|---|---|
| Zweck | Lebensdauer und Ausfallrate des Chips prüfen | Feuchtebeständigkeit des Gehäuses prüfen | Feuchtebeständigkeit in kurzer Zeit prüfen | Beständigkeit von Verbindungen und Gehäusen gegen thermische Ermüdung prüfen | Beständigkeit gegen Alterung allein durch Temperatur prüfen |
| Belastungen | Hohe Temperatur und Spannung | Temperatur, Feuchte und Spannung | Temperatur über 100 °C, Feuchte, Druck und Spannung | Temperaturänderungen (wiederholt hohe und tiefe Temperaturen) | Nur hohe Temperatur |
| Mit Bias? | Ja. Die Bauteile werden mit Signalen bei oder knapp über der maximalen Betriebsspannung betrieben | Ja. So angelegt, dass die Verlustleistung klein bleibt, um die Eigenerwärmung zu begrenzen | Meist ja. Es gibt auch unbestromten HAST ohne Bias | In der Regel nein | Nein |
| Typische Bedingungen | Etwa 125 °C, bei manchen Temperaturklassen höher | 85 °C/85 % r. F. bei Atmosphärendruck (85/85-Test) | Wasserdampf unter Druck bei etwa 110 bis 130 °C und 85 % r. F., z. B. 130 °C/85 % r. F. | z. B. −55 bis 125 °C oder −65 bis 150 °C, mit einer festen Haltezeit an beiden Extremen | z. B. 150 °C, bei manchen Produkten höher |
| Typische Dauer | Etwa 1.000 Stunden mit Zwischenmessungen z. B. nach 168 und 500 Stunden | Etwa 1.000 Stunden | Etwa 96 Stunden bei 130 °C/85 % r. F. | Hunderte bis Tausende Zyklen | Etwa 1.000 Stunden, bei höherer Temperatur manchmal kürzer |
| Hauptsächlich beschleunigte Mechanismen | Alterung und latente Defekte des Chips selbst, etwa TDDB, BTI und Elektromigration | Elektrochemische Reaktionen durch eindringende Feuchte (Korrosion, Ionenmigration) | Wie THB, durch schnelleres Eindringen der Feuchte stärker beschleunigt | Ermüdung durch wiederholte Dehnung infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten | Alterung allein durch Temperatur (Wachstum intermetallischer Phasen, thermische Alterung von Materialien, Verlust gespeicherter Ladung) |
| Typische gefundene Fehler | Elektrische Kennwerte außerhalb der Spezifikation (z. B. Verschiebung der Schwellenspannung), Funktionsausfälle | Korrosion von Aluminium-Pads und Leiterbahnen, erhöhter Leckstrom, Kurzschlüsse zwischen Leitern | Wie THB: Korrosion, erhöhter Leckstrom, Kurzschlüsse | Risse in Lötstellen und Drahtbonds, Delamination der Moldmasse, Risse in Die und Passivierung | Widerstandsanstieg oder Abheben von Drahtbonds (Kirkendall-Poren), Datenhaltefehler in nichtflüchtigen Speichern |
| Beschleunigungsmodell | Arrhenius-Modell (Temperatur) und ein Spannungsbeschleunigungsmodell | Peck-Modell (eine Potenz der relativen Feuchte mal ein Arrhenius-Temperaturterm) | Peck-Modell (wie THB) | Coffin-Manson-Beziehung (eine Potenz des Temperaturhubs) | Arrhenius-Modell |
| Zustand der Proben | Gehäuste Bauteile, auf Platinen bestückt und unter Spannung betrieben | Gehäuste Bauteile; in der Qualifikation oft nach einer Vorkonditionierung mit Feuchteaufnahme und Reflow-Wärme | Gehäuste Bauteile; wie bei THB oft nach Vorkonditionierung | Einzelne Bauteile (oft nach Vorkonditionierung); es gibt auch Board-Level-Tests mit bestückten Bauteilen | Gehäuste Bauteile in einer Wärmekammer; keine elektrische Verbindung nötig |
| Rolle (Beispiele für Normen) | Qualifikationstest für Lebensdauer und Ausfallrate. JEDEC (Reihe JESD22), AEC-Q100 und andere | Qualifikationstest für Feuchtebeständigkeit. JEDEC (Reihe JESD22), AEC-Q100 und andere | Wird manchmal anstelle von THB eingesetzt. JEDEC (Reihe JESD22), AEC-Q100 und andere | Qualifikationstest für Gehäuse und Verbindungen. JEDEC (Reihe JESD22), AEC-Q100 und andere | Qualifikationstest für rein temperaturbedingte Alterung. JEDEC (Reihe JESD22), AEC-Q100 und andere |
| Hinweise | Temperatur so regeln, dass die Eigenerwärmung die Sperrschichttemperatur nicht zu stark erhöht | Erwärmt sich der Chip, sinkt die relative Feuchte an seiner Oberfläche, und feuchtebedingte Ausfälle werden unwahrscheinlicher | Die hohe Temperatur kann Ausfälle verursachen, die im realen Einsatz nie auftreten, etwa durch veränderte Eigenschaften der Moldmasse | Ein anderer Test als Thermoschock (schnellere Temperaturänderungen) und Lastwechseltest (Eigenerwärmung) | Ohne Spannung lässt sich keine durch Feld oder Strom getriebene Alterung wie TDDB und Elektromigration bewerten |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.