HTOL vs THB vs HAST vs cyclage thermique vs HTS : conditions, objectifs, défaillances
La plupart des essais de fiabilité des semi-conducteurs sont des essais accélérés : ils appliquent des contraintes telles que la température, la tension, l’humidité et les variations de température plus fortement qu’en utilisation réelle afin d’accélérer les défaillances et d’évaluer la durée de vie et le taux de défaillance en peu de temps. Le HTOL fait fonctionner les composants à haute température sous tension et évalue la dégradation de la puce elle-même, comme le TDDB et l’électromigration. L’essai température-humidité-polarisation (THB) et le HAST sont des essais de résistance à l’humidité qui utilisent l’humidité et la tension pour accélérer les défaillances dues à l’humidité, comme la corrosion ; le HAST utilise de la vapeur sous pression pour mener une évaluation similaire en moins de temps. Le cyclage thermique alterne hautes et basses températures pour évaluer la fatigue due aux différences de dilatation thermique entre matériaux, et l’essai de stockage à haute température évalue la dégradation due à la seule température, sans tension. Comme chacun vise des défaillances différentes, la qualification d’un produit les combine.
| Critère | HTOL | Température-humidité-polarisation (THB) | HAST | Essai de cyclage thermique | Stockage à haute température (HTS) |
|---|---|---|---|---|---|
| Objectif | Vérifier la durée de vie et le taux de défaillance de la puce | Vérifier la résistance du boîtier à l’humidité | Vérifier la résistance à l’humidité en peu de temps | Vérifier la résistance des joints et des boîtiers à la fatigue thermique | Vérifier la résistance à la dégradation due à la seule température |
| Contraintes appliquées | Haute température et tension | Température, humidité et tension | Température supérieure à 100 °C, humidité, pression et tension | Variations de température (alternance de hautes et basses températures) | Haute température uniquement |
| Polarisation appliquée ? | Oui. Les composants fonctionnent avec des signaux, à la tension de fonctionnement maximale ou légèrement au-dessus | Oui. Appliquée de façon à garder une faible puissance dissipée, pour limiter l’auto-échauffement | En général oui. Il existe aussi un HAST non polarisé (unbiased HAST) | En général non | Non |
| Conditions typiques | Environ 125 °C. Plus élevée pour certaines classes de température | 85 °C/85 % HR à pression atmosphérique (l’essai 85/85) | Vapeur sous pression à environ 110 à 130 °C et 85 % HR, par ex. 130 °C/85 % HR | Par ex. −55 à 125 °C ou −65 à 150 °C, avec un palier de durée fixe à chaque extrême | Par ex. 150 °C. Plus élevée pour certains produits |
| Durée typique | Environ 1 000 heures, avec des mesures intermédiaires à par ex. 168 et 500 heures | Environ 1 000 heures | Environ 96 heures à 130 °C/85 % HR | Des centaines à des milliers de cycles | Environ 1 000 heures. Parfois raccourcie à plus haute température |
| Principaux mécanismes accélérés | Dégradation et défauts latents de la puce elle-même, comme le TDDB, la BTI et l’électromigration | Réactions électrochimiques dues à la pénétration d’humidité (corrosion, migration ionique) | Les mêmes que pour le THB, accélérés davantage par une pénétration plus rapide de l’humidité | Fatigue due aux déformations répétées causées par les différences de coefficient de dilatation thermique | Dégradation due à la seule température (croissance d’intermétalliques, dégradation thermique des matériaux, perte de charge stockée) |
| Défauts typiquement détectés | Paramètres électriques hors spécification (par ex. dérive de la tension de seuil), défaillances fonctionnelles | Corrosion des plots et interconnexions en aluminium, hausse du courant de fuite, courts-circuits entre conducteurs | Les mêmes que pour le THB : corrosion, hausse du courant de fuite, courts-circuits | Fissures des joints de soudure et des fils de câblage, délaminage du composé de moulage, fissures de la puce et de la passivation | Hausse de résistance ou décollement des fils de câblage (cavités de Kirkendall), défauts de rétention des données en mémoire non volatile |
| Modèle d’accélération | Modèle d’Arrhenius (température) et un modèle d’accélération en tension | Modèle de Peck (une puissance de l’humidité relative multipliée par un terme de température d’Arrhenius) | Modèle de Peck (comme pour le THB) | Relation de Coffin-Manson (une puissance de l’amplitude de température) | Modèle d’Arrhenius |
| État des échantillons | Composants en boîtier montés sur cartes et fonctionnant sous tension | Composants en boîtier. En qualification, souvent après un préconditionnement par absorption d’humidité et chaleur de refusion | Composants en boîtier. Comme pour le THB, souvent après préconditionnement | Composants individuels (souvent après préconditionnement) ; il existe aussi des essais au niveau carte avec composants montés | Composants en boîtier placés dans une étuve. Aucune connexion électrique n’est nécessaire |
| Rôle (exemples de normes) | Essai de qualification de la durée de vie et du taux de défaillance. JEDEC (série JESD22), AEC-Q100, etc. | Essai de qualification de la résistance à l’humidité. JEDEC (série JESD22), AEC-Q100, etc. | Parfois utilisé à la place du THB. JEDEC (série JESD22), AEC-Q100, etc. | Essai de qualification des boîtiers et des joints. JEDEC (série JESD22), AEC-Q100, etc. | Essai de qualification de la dégradation due à la seule température. JEDEC (série JESD22), AEC-Q100, etc. |
| Précautions | Contrôler la température pour que l’auto-échauffement ne fasse pas trop monter la température de jonction | Si la puce chauffe, l’humidité relative à sa surface baisse et les défaillances dues à l’humidité deviennent moins probables | La haute température peut provoquer des défaillances qui n’apparaissent jamais en utilisation réelle, comme une modification des propriétés du composé de moulage | Essai distinct du choc thermique (variations de température plus rapides) et du cyclage en puissance (auto-échauffement) | Sans tension, il ne peut pas évaluer la dégradation due au champ électrique ou au courant, comme le TDDB et l’électromigration |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.