HTOL, THB, HAST, temperatuurcyclustest en HTS: omstandigheden, doel en faalmechanismen vergeleken
De meeste betrouwbaarheidstests voor halfgeleiders zijn versnelde tests: ze leggen belastingen zoals temperatuur, spanning, vochtigheid en temperatuurwisselingen sterker aan dan bij normaal gebruik om storingen te versnellen, zodat levensduur en uitvalfrequentie in korte tijd te beoordelen zijn. HTOL laat componenten bij hoge temperatuur onder spanning werken en beoordeelt de veroudering van de chip zelf, zoals TDDB en elektromigratie. De temperatuur-vochtigheid-biastest (THB) en HAST zijn vochtbestendigheidstests die met vochtigheid en spanning door vocht veroorzaakte storingen zoals corrosie versnellen; HAST gebruikt stoom onder druk om een vergelijkbare beoordeling in kortere tijd uit te voeren. De temperatuurcyclustest wisselt herhaaldelijk tussen hoge en lage temperatuur om vermoeiing door verschillen in thermische uitzetting tussen materialen te beoordelen, en de opslagtest bij hoge temperatuur beoordeelt veroudering die alleen door temperatuur wordt veroorzaakt, zonder spanning. Omdat elke test op andere storingen gericht is, worden ze bij productkwalificatie gecombineerd.
| Kenmerk | HTOL | Temperatuur-vochtigheid-biastest (THB) | HAST | Temperatuurcyclustest | Opslagtest bij hoge temperatuur (HTS) |
|---|---|---|---|---|---|
| Doel | Levensduur en uitvalfrequentie van de chip controleren | Vochtbestendigheid van de package controleren | Vochtbestendigheid in korte tijd controleren | Bestendigheid van verbindingen en packages tegen thermische vermoeiing controleren | Bestendigheid tegen veroudering door alleen temperatuur controleren |
| Aangelegde belasting | Hoge temperatuur en spanning | Temperatuur, vochtigheid en spanning | Temperatuur boven 100 °C, vochtigheid, druk en spanning | Temperatuurwisselingen (herhaald hoog en laag) | Alleen hoge temperatuur |
| Bias aangelegd? | Ja. De componenten werken met signalen op of iets boven de maximale bedrijfsspanning | Ja. Zo aangelegd dat de vermogensdissipatie klein blijft, om eigen opwarming te beperken | Meestal ja. Er bestaat ook unbiased HAST, zonder bias | In het algemeen niet | Nee |
| Typische omstandigheden | Rond 125 °C. Hoger voor sommige temperatuurklassen | 85 °C/85% RV bij atmosferische druk (de 85/85-test) | Stoom onder druk bij ongeveer 110 tot 130 °C en 85% RV, bijv. 130 °C/85% RV | Bijv. −55 tot 125 °C of −65 tot 150 °C, met een vaste wachttijd bij elk uiterste | Bijv. 150 °C. Hoger voor sommige producten |
| Typische duur | Ongeveer 1.000 uur, met tussentijdse metingen bij bijv. 168 en 500 uur | Ongeveer 1.000 uur | Ongeveer 96 uur bij 130 °C/85% RV | Honderden tot duizenden cycli | Ongeveer 1.000 uur. Soms ingekort bij hogere temperatuur |
| Belangrijkste versnelde mechanismen | Veroudering en latente defecten van de chip zelf, zoals TDDB, BTI en elektromigratie | Elektrochemische reacties door binnendringend vocht (corrosie, ionenmigratie) | Dezelfde als bij THB, sterker versneld doordat vocht sneller binnendringt | Vermoeiing door herhaalde rek als gevolg van verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënt | Veroudering door alleen temperatuur (groei van intermetallische verbindingen, thermische degradatie van materialen, verlies van opgeslagen lading) |
| Typische gevonden defecten | Elektrische parameters buiten specificatie (bijv. verschuiving van de drempelspanning), functionele storingen | Corrosie van aluminium pads en interconnect, toegenomen lekstroom, kortsluiting tussen geleiders | Dezelfde als bij THB: corrosie, toegenomen lekstroom, kortsluiting | Scheuren in soldeerverbindingen en wire bonds, delaminatie van de moldmassa, scheuren in de die en de passivatielaag | Hogere weerstand of loslaten van wire bonds (Kirkendall-holtes), dataretentiefouten in niet-vluchtig geheugen |
| Versnellingsmodel | Arrheniusmodel (temperatuur) en een spanningsversnellingsmodel | Model van Peck (een macht van de relatieve vochtigheid maal een Arrhenius-temperatuurterm) | Model van Peck (zoals bij THB) | Coffin-Manson-relatie (een macht van de temperatuurzwaai) | Arrheniusmodel |
| Toestand van de monsters | Componenten in een package, op printplaten gemonteerd en onder spanning in bedrijf | Componenten in een package. Bij kwalificatie vaak na preconditionering met vochtopname en reflowwarmte | Componenten in een package. Net als bij THB vaak na preconditionering | Losse componenten (vaak na preconditionering); er bestaan ook tests op bordniveau met gemonteerde componenten | Componenten in een package in een hete kamer. Er is geen elektrische aansluiting nodig |
| Rol (voorbeelden van normen) | Kwalificatietest voor levensduur en uitvalfrequentie. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andere | Kwalificatietest voor vochtbestendigheid. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andere | Soms gebruikt in plaats van THB. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andere | Kwalificatietest voor packages en verbindingen. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andere | Kwalificatietest voor veroudering door alleen temperatuur. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andere |
| Aandachtspunten | Regel de temperatuur zo dat eigen opwarming de junctietemperatuur niet te hoog opdrijft | Als de chip opwarmt, daalt de relatieve vochtigheid aan het oppervlak en worden door vocht veroorzaakte storingen minder waarschijnlijk | De hoge temperatuur kan storingen veroorzaken die bij normaal gebruik nooit optreden, zoals veranderde eigenschappen van de moldmassa | Een andere test dan thermische schok (snellere temperatuurwisselingen) en power cycling (eigen opwarming) | Zonder spanning kan de test geen veroudering door elektrisch veld of stroom beoordelen, zoals TDDB en elektromigratie |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.