고온 고습 바이어스 시험(THB)란?

85 °C·85% RH 같은 고온 고습 환경에서 전압을 가하여, 패키지에 침입한 수분에 의한 부식이나 누설 증가를 평가하는 신뢰성 시험. 85/85 시험이라고도 한다.

일본어 명칭: 高温高湿バイアス試験(THB)

고온 고습 바이어스 시험(THB)은(는) 신뢰성, 차량용 반도체와 기능 안전 등 2개 분야의 연습 문제 3개에 나와요.

THB의 방법

THB는 temperature humidity bias의 약자입니다. 제품을 대기압의 항온 항습조에 넣고, 대표적으로 85 °C·85% RH에서 전압을 가한 채 1000시간 정도 유지합니다. 몰드 수지로 봉지한 플라스틱 패키지는 기밀이 아니므로, 수분이 몰드 수지 속이나 수지와 리드 프레임의 계면을 따라 천천히 다이까지 도달합니다. 그곳에 전압이 걸려 있으면 전기화학 반응이 진행되어 고장이 가속됩니다. 시험 전, 시험 중, 시험 후에 전기적 특성을 측정하여 누설 전류의 증가나 기능 불량이 없는지 확인합니다.

대상으로 하는 고장

주된 대상은 알루미늄 본딩 패드와 배선의 부식입니다. 염화물 등의 이온성 오염이 수분에 녹아 있으면 부식이 훨씬 빨리 진행됩니다. 바이어스가 걸린 인접 도체 사이에서는 금속이 이온으로 녹아 이동한 뒤 덴드라이트 모양으로 석출되어 단락을 일으키는 이온 마이그레이션도 일어날 수 있습니다. 패시베이션막의 크랙이나 결함은 수분의 통로가 되고, 몰드 수지와 다이 또는 리드 프레임 사이의 박리는 수분의 침입을 빠르게 합니다. 다이 표면이나 패키지 표면을 따라 흐르는 누설 전류의 증가도 평가합니다.

THB와 HAST의 차이

HAST(고가속 스트레스 시험)는 압력 용기 안에서 약 110~130 °C의 불포화 수증기를 사용하여, 습도에 의한 고장을 THB보다 강하게 가속합니다. 널리 쓰이는 130 °C·85% RH에서 96시간의 HAST는 85 °C·85% RH에서 1000시간의 THB를 대체하는 데 사용됩니다. HAST는 결과가 빨리 나오지만, 온도가 높아 몰드 수지의 특성이 변하여 실제 사용에서는 일어나지 않는 고장이 생길 수도 있습니다. THB는 실제 환경에 가까운 낮은 온도에서 하므로 시간이 더 걸립니다. 어느 쪽을 사용할지는 적용하는 규격과 고객과의 합의에 따라 정해집니다.

바이어스 방법과 실사용 수명으로의 환산

바이어스는 소비 전력을 작게 유지하면서 인접한 핀 사이에 가능한 한 큰 전압이 걸리도록 가합니다. 다이가 발열하면 표면 온도가 올라가 국소적인 상대 습도가 내려가므로, 수분에 의한 고장이 일어나기 어려워지기 때문입니다. 그래서 핀에 전원과 접지를 번갈아 배치하거나 전압을 간헐적으로 가하는 방법이 사용됩니다. 결과로부터 실사용 수명을 추정할 때는 습도 항을 상대 습도의 거듭제곱(지수는 3 정도)으로, 온도 항을 아레니우스형으로 나타내는 Peck 모델 등이 사용됩니다.

도전해 보기: 고온 고습 바이어스 시험(THB) 관련 문제

차량용 IC의 인증 시험에서 85 ℃·85%RH로 1000시간 수행하는 고온 고습 바이어스 시험(THB) 대신, HAST(130 ℃·85%RH 정도의 가압된 수증기 속에서 바이어스를 거는 시험)가 사용되기도 하는 주된 이유는?

A습기 침투로 인한 부식 등의 고장을 가속하여, 1000시간 걸리는 시험을 100시간 정도로 단축할 수 있기 때문에
B수분으로 인한 고장이 아니라 우주선에 의한 소프트 에러를 평가할 수 있게 되기 때문에
C온도를 올리면 습기가 빠지므로, 건조한 상태에서의 수명을 평가할 수 있기 때문에

정답과 해설 보기

정답: A. 습기 침투로 인한 부식 등의 고장을 가속하여, 1000시간 걸리는 시험을 100시간 정도로 단축할 수 있기 때문에

HAST(Highly Accelerated Stress Test)는 100 ℃를 넘는 온도에서 압력을 가해 높은 습도를 유지한 채 시험하는 방법입니다. 온도와 수증기압을 높임으로써 수분이 패키지의 수지를 통과해 칩에 도달하는 속도가 빨라져, 전극의 부식이나 누설 전류의 증가 등을 가속할 수 있습니다. 예를 들어 130 ℃·85%RH에서는 96시간 정도로 85 ℃·85%RH의 1000시간에 상당하는 평가를 하는 것이 일반적입니다. 소프트 에러나 건조 상태의 평가와는 관계가 없습니다.

고온 고습 바이어스 시험(THB나 HAST)으로 주로 평가하는 고장은?

A우주선에 의한 소프트 에러
B클럭 지연
C수분 침입으로 인한 전극 부식이나 누설 전류 증가

정답과 해설 보기

정답: C. 수분 침입으로 인한 전극 부식이나 누설 전류 증가

고온 고습 환경에서 전압을 가하면 패키지 안에 침입한 수분과 불순물 이온에 의해 알루미늄 패드의 부식이나 이온의 이동이 일어나, 누설 전류 증가나 단선을 초래합니다. THB는 85 ℃/85%RH에서 1000시간 정도, HAST는 130 ℃ 안팎의 가압 수증기로 수분 침입을 가속하여 약 100시간 정도의 짧은 시간에 내습성을 평가합니다. 소프트 에러나 클럭 지연은 다른 시험의 대상입니다.

자주 묻는 질문

THB 시험의 85/85는 무엇을 뜻하나요?

85 °C, 상대 습도 85%라는 시험 조건을 뜻합니다. THB는 이 조건에서 전압을 가한 채 1000시간 정도 진행하는 경우가 많아 85/85 시험이라고도 불립니다.

고온 고습 바이어스 시험(THB)과 HAST는 무엇이 다른가요?

둘 다 고온 고습에서 전압을 가하지만, THB는 85 °C, 대기압에서 1000시간 정도 진행하고, HAST는 약 110~130 °C의 가압 수증기를 사용하여 100~300시간 정도로 비슷한 평가를 합니다.

THB 중에 소비 전력을 작게 하는 것은 왜인가요?

다이가 발열하면 수분을 몰아내어 표면의 상대 습도가 내려가므로, 습도에 의한 부식이나 이온 마이그레이션이 일어나기 어려워지기 때문입니다. 바이어스 조건은 자기 발열을 작게 하면서 전압을 가하도록 정합니다.

해설 속 고온 고습 바이어스 시험(THB)

THB는 85 ℃/85%RH에서 1000시간 정도, HAST는 130 ℃ 안팎의 가압 수증기로 수분 침입을 가속하여 약 100시간 정도의 짧은 시간에 내습성을 평가합니다.
고온 고습 바이어스 시험(THB나 HAST)으로 주로 평가하는 고장은?
고온 고습 바이어스 시험 등의 결과로부터 실제 사용 조건에서의 수명을 추정하는 데 사용됩니다.
온도에 더해 습도나 전압 등 여러 스트레스의 영향을 포함하여 수명의 가속을 나타내는, 열역학에 기반한 모델…