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.

CritèreHTOLTempérature-humidité-polarisation (THB)HASTEssai de cyclage thermiqueStockage à haute température (HTS)
ObjectifVérifier la durée de vie et le taux de défaillance de la puceVérifier la résistance du boîtier à l’humiditéVérifier la résistance à l’humidité en peu de tempsVérifier la résistance des joints et des boîtiers à la fatigue thermiqueVérifier la résistance à la dégradation due à la seule température
Contraintes appliquéesHaute température et tensionTempérature, humidité et tensionTempérature supérieure à 100 °C, humidité, pression et tensionVariations 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-dessusOui. Appliquée de façon à garder une faible puissance dissipée, pour limiter l’auto-échauffementEn général oui. Il existe aussi un HAST non polarisé (unbiased HAST)En général nonNon
Conditions typiquesEnviron 125 °C. Plus élevée pour certaines classes de température85 °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 % HRPar ex. −55 à 125 °C ou −65 à 150 °C, avec un palier de durée fixe à chaque extrêmePar ex. 150 °C. Plus élevée pour certains produits
Durée typiqueEnviron 1 000 heures, avec des mesures intermédiaires à par ex. 168 et 500 heuresEnviron 1 000 heuresEnviron 96 heures à 130 °C/85 % HRDes centaines à des milliers de cyclesEnviron 1 000 heures. Parfois raccourcie à plus haute température
Principaux mécanismes accélérésDégradation et défauts latents de la puce elle-même, comme le TDDB, la BTI et l’électromigrationRéactions 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’humiditéFatigue due aux déformations répétées causées par les différences de coefficient de dilatation thermiqueDégradation due à la seule température (croissance d’intermétalliques, dégradation thermique des matériaux, perte de charge stockée)
Défauts typiquement détectésParamètres électriques hors spécification (par ex. dérive de la tension de seuil), défaillances fonctionnellesCorrosion des plots et interconnexions en aluminium, hausse du courant de fuite, courts-circuits entre conducteursLes mêmes que pour le THB : corrosion, hausse du courant de fuite, courts-circuitsFissures des joints de soudure et des fils de câblage, délaminage du composé de moulage, fissures de la puce et de la passivationHausse de résistance ou décollement des fils de câblage (cavités de Kirkendall), défauts de rétention des données en mémoire non volatile
Modèle d’accélérationModèle d’Arrhenius (température) et un modèle d’accélération en tensionModèle 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 échantillonsComposants en boîtier montés sur cartes et fonctionnant sous tensionComposants en boîtier. En qualification, souvent après un préconditionnement par absorption d’humidité et chaleur de refusionComposants en boîtier. Comme pour le THB, souvent après préconditionnementComposants individuels (souvent après préconditionnement) ; il existe aussi des essais au niveau carte avec composants montésComposants 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.
PrécautionsContrôler la température pour que l’auto-échauffement ne fasse pas trop monter la température de jonctionSi la puce chauffe, l’humidité relative à sa surface baisse et les défaillances dues à l’humidité deviennent moins probablesLa haute température peut provoquer des défaillances qui n’apparaissent jamais en utilisation réelle, comme une modification des propriétés du composé de moulageEssai 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.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

HTOL
Lorsqu’on veut confirmer, pour un nouveau produit ou une modification de procédé, que la conception de la puce et le procédé atteignent la durée de vie et le taux de défaillance visés. Les résultats sont convertis aux conditions d’utilisation avec le modèle d’Arrhenius et des modèles similaires, mais ils varient fortement selon l’énergie d’activation supposée : il faut donc les traiter comme des estimations.
Température-humidité-polarisation (THB)
Lorsqu’on veut confirmer la résistance à l’humidité de boîtiers encapsulés en plastique à une température plus proche des environnements réels. L’essai dure environ 1 000 heures, mais évite les défaillances propres aux hautes températures, comme celles du HAST.
HAST
Lorsque l’évaluation de la résistance à l’humidité doit être terminée en peu de temps. Par exemple, un essai d’environ 96 heures à 130 °C/85 % HR est utilisé à la place de 1 000 heures de THB à 85 °C/85 % HR. Le choix entre les deux dépend de la norme applicable ou de l’accord avec le client.
Essai de cyclage thermique
Lorsque les déformations dues aux différences de dilatation thermique posent problème, au niveau des joints de soudure, des fils de câblage ou de l’interface entre composé de moulage et puce. Il est important pour les applications à fortes variations de température, comme l’automobile, et pour les produits dont les grandes puces ou les grands boîtiers subissent de fortes déformations.
Stockage à haute température (HTS)
Lorsqu’on veut vérifier la dégradation due à la seule température, comme la croissance d’intermétalliques aux joints des fils de câblage ou la rétention des données en mémoire non volatile, indépendamment des effets de la tension.
Combinaison en qualification
Comme des contraintes différentes agissent sur des types de défaillance différents, la qualification d’un produit combine ces essais, généralement menés en parallèle sur des échantillons distincts pour chaque essai. Avant les essais d’humidité (THB, HAST) et le cyclage thermique, on applique souvent un préconditionnement : les composants absorbent de l’humidité puis subissent la même chaleur qu’en refusion, afin d’être évalués dans l’état où ils seraient après montage. Pour chaque essai, les caractéristiques électriques sont mesurées pendant et après l’essai pour juger de la conformité.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre THB et HAST ?

Les deux appliquent une tension à environ 85 % d’humidité relative et évaluent la corrosion et la hausse du courant de fuite dues à l’humidité. Le THB dure environ 1 000 heures à 85 °C et à pression atmosphérique, tandis que le HAST accélère la pénétration de l’humidité avec de la vapeur sous pression à environ 110 à 130 °C et réalise une évaluation équivalente en environ 96 heures à 130 °C/85 % HR, par exemple. Le HAST est plus rapide, mais sa haute température peut provoquer des défaillances qui n’apparaissent jamais en utilisation réelle.

Quelle est la différence entre HTOL et déverminage (burn-in) ?

Le déverminage est un tri qui applique une brève contrainte de haute température et de haute tension à la totalité ou à la plupart des produits à livrer, afin d’éliminer les unités sujettes aux défaillances précoces. Le HTOL est un essai de qualification qui fait fonctionner des unités prélevées pendant environ 1 000 heures pour confirmer que la conception du produit et le procédé de fabrication atteignent la durée de vie et le taux de défaillance visés ; les unités testées ne sont pas livrées.

Quelle est la différence entre l’essai de stockage à haute température et le HTOL ?

L’essai de stockage à haute température maintient simplement les produits à haute température, par exemple 150 °C, sans tension, et évalue la dégradation due à la seule température, comme la dégradation des joints des fils de câblage et la rétention des données en mémoire non volatile. Le HTOL fait fonctionner les composants sous tension vers 125 °C et accélère donc aussi la dégradation due au champ électrique ou au courant, comme le TDDB et l’électromigration.

Vérifier vos connaissances

Quelle contrainte est appliquée en HTOL mais pas lors d'un essai de stockage à haute température ?

  1. AUne température élevée
  2. BUne humidité élevée
  3. CUne polarisation électrique, comme la tension d'alimentation
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Une polarisation électrique, comme la tension d'alimentation

L'essai de stockage à haute température (HTS) maintient les produits longtemps à haute température, par exemple vers 150 °C, sans appliquer de tension, et compare leurs caractéristiques électriques avant et après. Le HTOL fait fonctionner les produits à haute température sous tension d'alimentation : il accélère donc aussi les dégradations entraînées par le champ électrique ou le courant, comme le TDDB et l'électromigration, alors que l'essai de stockage à haute température isole les dégradations dues à la seule température. Ses cibles typiques sont la croissance des intermétalliques et la formation de cavités aux jonctions du câblage par fil, qui augmentent la résistance ou décollent la liaison, la rétention des données dans la mémoire non volatile et la dégradation de matériaux comme la résine d'encapsulation. L'essai qui applique en même temps humidité et tension est l'essai température-humidité-polarisation (THB).

Quel essai de fiabilité typique fait fonctionner le produit longtemps à haute température pour évaluer sa durée de vie et son taux de défaillance ?

  1. AEssai de cyclage thermique
  2. BEssai de durée de vie en fonctionnement à haute température (HTOL)
  3. CEssai de chute
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Essai de durée de vie en fonctionnement à haute température (HTOL)

L'essai HTOL (High Temperature Operating Life) fait fonctionner le produit longtemps à haute température, vers 125 ℃, sous la tension maximale de fonctionnement ou une tension légèrement supérieure, et examine l'apparition de défaillances. Pour l'automobile, l'AEC-Q100 exige d'essayer 77 pièces de chacun de 3 lots pendant 1000 heures, sans aucune défaillance. L'accélération par la température et la tension permet d'estimer en peu de temps la durée de vie et le taux de défaillance en utilisation réelle. Le cyclage thermique évalue la fatigue des joints, l'essai de chute la résistance aux chocs.

Quelles défaillances les essais sous polarisation en chaleur humide (THB ou HAST) évaluent-ils principalement ?

  1. ALes erreurs logicielles dues aux rayons cosmiques
  2. BLes retards d'horloge
  3. CLa corrosion des électrodes et l'augmentation du courant de fuite dues à la pénétration d'humidité
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. La corrosion des électrodes et l'augmentation du courant de fuite dues à la pénétration d'humidité

Sous tension en environnement chaud et humide, l'humidité et les ions d'impuretés ayant pénétré dans le boîtier provoquent la corrosion des plots en aluminium et la migration d'ions, entraînant augmentation du courant de fuite et ruptures. Le THB s'effectue à 85 ℃/85 %RH pendant environ 1000 heures ; le HAST accélère la pénétration d'humidité par de la vapeur d'eau pressurisée vers 130 ℃ et évalue la résistance à l'humidité en un temps court, environ 100 heures. Les erreurs logicielles et les retards d'horloge relèvent d'autres essais.

  1. Lors de la qualification des CI automobiles, quelle est la principale raison pour laquelle on utilise parfois, à la place de l'essai en chaleur humide sous polarisation (THB) réalisé pendant 1000 heures à 85 ℃/85 %RH, le HAST (essai sous polarisation dans de la vapeur d'eau pressurisée à environ 130 ℃/85 %RH) ?
  2. Quelles défaillances l'essai de cyclage thermique évalue-t-il principalement ?
  3. Pour estimer la durée de vie en utilisation réelle à partir d'essais en chaleur humide, quel modèle exprime couramment l'effet de l'humidité par une puissance de l'humidité relative ?
  4. Quel modèle exprime la durée de vie en fatigue des joints de brasure sous cyclage thermique par la relation entre l'amplitude thermique (amplitude de déformation) et le nombre de cycles ?
  5. Quelle norme est largement utilisée comme référence pour les essais de fiabilité des circuits intégrés automobiles ?

Questions d'entraînement sur Fiabilité

Termes clés expliqués

HTOL (essai de durée de vie en fonctionnement à haute température)
Essai de fiabilité qui fait fonctionner des produits longtemps à haute température sous tension pour évaluer de façon accélérée la durée de vie et le taux de défaillance des puces. Une condition typique est 1000 heures à environ 125 °C.
THB (essai température-humidité-polarisation)
Essai de fiabilité qui applique une tension dans un environnement chaud et humide, typiquement 85 °C/85 % HR, pour évaluer la corrosion et l'augmentation des fuites dues à l'humidité qui pénètre dans le boîtier. On l'appelle aussi essai 85/85.
HAST (essai de stress hautement accéléré)
Essai qui applique une polarisation dans de la vapeur d'eau sous pression, à forte humidité et à plus de 100 °C, pour évaluer rapidement la résistance à l'humidité. Par exemple, 96 heures à 130 °C/85 % HR sont considérées comme équivalentes à 1000 heures d'essai température-humidité-polarisation (THB) à 85 °C/85 % HR.
Essai de cyclage thermique
Essai de fiabilité qui applique de façon répétée des températures hautes et basses pour évaluer la fatigue des joints de brasure ainsi que la fissuration ou le délaminage du boîtier dus aux différences de dilatation thermique entre matériaux.
Essai de stockage à haute température (HTS)
Essai de fiabilité qui maintient des produits à haute température sans tension appliquée pour évaluer la dégradation des liaisons par fil, la rétention des données des mémoires non volatiles et d'autres effets similaires. On l'appelle aussi HTS ou HTSL.
Déverminage (burn-in)
Test consistant à faire fonctionner les produits sous contraintes telles que haute température et haute tension, afin d'éliminer avant expédition ceux sujets aux défaillances précoces.
Modèle d'Arrhenius
Modèle selon lequel la vitesse d'une réaction ou d'une dégradation varie avec la température selon exp(−Ea/kT). Sert à estimer la durée de vie à la température d'utilisation à partir d'essais accélérés à haute température.
Courbe en baignoire
Courbe décrivant l'évolution du taux de défaillance dans le temps. Composée des périodes de défaillances précoces, de défaillances aléatoires et d'usure, elle a la forme d'une baignoire.
AEC-Q100
Norme de qualification pour les essais de fiabilité des circuits intégrés automobiles, définie par l'Automotive Electronics Council (AEC). Elle comporte des classes de température de fonctionnement : Grade 1 de −40 à 125 °C et Grade 0 de −40 à 150 °C. Les semi-conducteurs discrets relèvent de l'AEC-Q101 et les composants passifs de l'AEC-Q200.
MSL (niveau de sensibilité à l'humidité)
Classe indiquant la facilité avec laquelle un composant CMS absorbe l'humidité, définie par la norme JEDEC J-STD-020. Elle fixe la durée d'exposition admise en atelier (floor life) entre l'ouverture du sachet barrière à l'humidité et la refusion : 168 heures à 30 °C/60 % HR au plus pour le MSL 3. Les composants ayant dépassé cette durée sont étuvés pour les sécher avant montage.

Comparatifs associés