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.

KenmerkHTOLTemperatuur-vochtigheid-biastest (THB)HASTTemperatuurcyclustestOpslagtest bij hoge temperatuur (HTS)
DoelLevensduur en uitvalfrequentie van de chip controlerenVochtbestendigheid van de package controlerenVochtbestendigheid in korte tijd controlerenBestendigheid van verbindingen en packages tegen thermische vermoeiing controlerenBestendigheid tegen veroudering door alleen temperatuur controleren
Aangelegde belastingHoge temperatuur en spanningTemperatuur, vochtigheid en spanningTemperatuur boven 100 °C, vochtigheid, druk en spanningTemperatuurwisselingen (herhaald hoog en laag)Alleen hoge temperatuur
Bias aangelegd?Ja. De componenten werken met signalen op of iets boven de maximale bedrijfsspanningJa. Zo aangelegd dat de vermogensdissipatie klein blijft, om eigen opwarming te beperkenMeestal ja. Er bestaat ook unbiased HAST, zonder biasIn het algemeen nietNee
Typische omstandighedenRond 125 °C. Hoger voor sommige temperatuurklassen85 °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% RVBijv. −55 tot 125 °C of −65 tot 150 °C, met een vaste wachttijd bij elk uitersteBijv. 150 °C. Hoger voor sommige producten
Typische duurOngeveer 1.000 uur, met tussentijdse metingen bij bijv. 168 en 500 uurOngeveer 1.000 uurOngeveer 96 uur bij 130 °C/85% RVHonderden tot duizenden cycliOngeveer 1.000 uur. Soms ingekort bij hogere temperatuur
Belangrijkste versnelde mechanismenVeroudering en latente defecten van de chip zelf, zoals TDDB, BTI en elektromigratieElektrochemische reacties door binnendringend vocht (corrosie, ionenmigratie)Dezelfde als bij THB, sterker versneld doordat vocht sneller binnendringtVermoeiing door herhaalde rek als gevolg van verschillen in thermische uitzettingscoëfficiëntVeroudering door alleen temperatuur (groei van intermetallische verbindingen, thermische degradatie van materialen, verlies van opgeslagen lading)
Typische gevonden defectenElektrische parameters buiten specificatie (bijv. verschuiving van de drempelspanning), functionele storingenCorrosie van aluminium pads en interconnect, toegenomen lekstroom, kortsluiting tussen geleidersDezelfde als bij THB: corrosie, toegenomen lekstroom, kortsluitingScheuren in soldeerverbindingen en wire bonds, delaminatie van de moldmassa, scheuren in de die en de passivatielaagHogere weerstand of loslaten van wire bonds (Kirkendall-holtes), dataretentiefouten in niet-vluchtig geheugen
VersnellingsmodelArrheniusmodel (temperatuur) en een spanningsversnellingsmodelModel 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 monstersComponenten in een package, op printplaten gemonteerd en onder spanning in bedrijfComponenten in een package. Bij kwalificatie vaak na preconditionering met vochtopname en reflowwarmteComponenten in een package. Net als bij THB vaak na preconditioneringLosse componenten (vaak na preconditionering); er bestaan ook tests op bordniveau met gemonteerde componentenComponenten 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 andereKwalificatietest voor vochtbestendigheid. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andereSoms gebruikt in plaats van THB. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andereKwalificatietest voor packages en verbindingen. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andereKwalificatietest voor veroudering door alleen temperatuur. JEDEC (JESD22-reeks), AEC-Q100 en andere
AandachtspuntenRegel de temperatuur zo dat eigen opwarming de junctietemperatuur niet te hoog opdrijftAls de chip opwarmt, daalt de relatieve vochtigheid aan het oppervlak en worden door vocht veroorzaakte storingen minder waarschijnlijkDe hoge temperatuur kan storingen veroorzaken die bij normaal gebruik nooit optreden, zoals veranderde eigenschappen van de moldmassaEen 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.

Wanneer welke variant?

HTOL
Wanneer je voor een nieuw product of een proceswijziging wilt bevestigen dat het chipontwerp en het proces de beoogde levensduur en uitvalfrequentie halen. Resultaten worden met het Arrheniusmodel en vergelijkbare modellen omgerekend naar gebruiksomstandigheden, maar ze hangen sterk af van de aangenomen activeringsenergie, dus behandel ze als schattingen.
Temperatuur-vochtigheid-biastest (THB)
Wanneer je de vochtbestendigheid van in kunststof ingegoten packages wilt bevestigen bij een temperatuur die dichter bij de werkelijke omgeving ligt. De test duurt ongeveer 1.000 uur, maar vermijdt storingen die eigen zijn aan hoge temperaturen, zoals die van HAST.
HAST
Wanneer de beoordeling van de vochtbestendigheid in korte tijd klaar moet zijn. Zo wordt een test van ongeveer 96 uur bij 130 °C/85% RV gebruikt in plaats van 1.000 uur THB bij 85 °C/85% RV. Welke van de twee wordt gebruikt, bepaalt de toepasselijke norm of de afspraak met de klant.
Temperatuurcyclustest
Wanneer rek door verschillen in thermische uitzetting een zorg is, bij soldeerverbindingen, wire bonds of het grensvlak tussen moldmassa en die. De test is belangrijk voor toepassingen met grote temperatuurwisselingen, zoals de auto-industrie, en voor producten waarvan grote dies of packages veel rek ondervinden.
Opslagtest bij hoge temperatuur (HTS)
Wanneer je veroudering door alleen temperatuur wilt controleren, zoals groei van intermetallische verbindingen bij wire-bondverbindingen of dataretentie in niet-vluchtig geheugen, los van de invloed van spanning.
Combineren bij kwalificatie
Omdat verschillende belastingen op verschillende soorten storingen inwerken, combineert productkwalificatie deze tests, in het algemeen parallel op aparte monsters per test. Vóór vochtigheidstests (THB, HAST) en temperatuurcyclustests wordt vaak preconditionering toegepast: de componenten nemen vocht op en krijgen daarna dezelfde warmte als bij reflow, zodat ze worden beoordeeld in de toestand die ze na montage zouden hebben. Bij elke test worden de elektrische eigenschappen tijdens en na de test gemeten om te beslissen of het product slaagt of niet.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen THB en HAST?

Beide leggen spanning aan bij ongeveer 85% relatieve vochtigheid en beoordelen corrosie en toegenomen lekstroom door vocht. THB duurt ongeveer 1.000 uur bij 85 °C en atmosferische druk, terwijl HAST het binnendringen van vocht versnelt met stoom onder druk bij ongeveer 110 tot 130 °C en zo een gelijkwaardige beoordeling uitvoert in bijvoorbeeld ongeveer 96 uur bij 130 °C/85% RV. HAST is sneller, maar door de hoge temperatuur kan het storingen veroorzaken die bij normaal gebruik nooit optreden.

Wat is het verschil tussen HTOL en burn-in?

Burn-in is een screening die een korte belasting met hoge temperatuur en hoge spanning aanlegt op alle of de meeste te leveren producten, om exemplaren met neiging tot vroege uitval te verwijderen. HTOL is een kwalificatietest die steekproefexemplaren ongeveer 1.000 uur laat werken om te bevestigen dat het productontwerp en het productieproces de beoogde levensduur en uitvalfrequentie halen; geteste exemplaren worden niet geleverd.

Wat is het verschil tussen de opslagtest bij hoge temperatuur en HTOL?

De opslagtest bij hoge temperatuur houdt producten eenvoudigweg op hoge temperatuur, bijvoorbeeld 150 °C, zonder spanning, en beoordeelt veroudering door alleen temperatuur, zoals veroudering van wire-bondverbindingen en dataretentie in niet-vluchtig geheugen. HTOL laat componenten onder spanning werken rond 125 °C en versnelt daardoor ook veroudering door elektrisch veld of stroom, zoals TDDB en elektromigratie.

Test uw begrip

Welke belasting wordt bij HTOL aangebracht, maar niet bij een opslagtest bij hoge temperatuur?

  1. AHoge temperatuur
  2. BHoge vochtigheid
  3. CElektrische bias zoals de voedingsspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Elektrische bias zoals de voedingsspanning

De opslagtest bij hoge temperatuur (HTS) houdt producten lange tijd op hoge temperatuur, bijvoorbeeld rond 150 °C, zonder spanning aan te leggen, en vergelijkt hun elektrische eigenschappen vooraf en achteraf. HTOL laat producten bij hoge temperatuur onder voedingsspanning werken en versnelt dus ook degradatie die door elektrisch veld of stroom wordt aangedreven, zoals TDDB en elektromigratie, terwijl de opslagtest bij hoge temperatuur de degradatie isoleert die alleen door temperatuur wordt aangedreven. Typische doelen zijn de groei van intermetallische verbindingen en de vorming van holtes bij verbindingen gemaakt door wirebonden, die de weerstand verhogen of de verbinding laten loskomen, de dataretentie in niet-vluchtig geheugen en de degradatie van materialen zoals de vormmassa. De test die vochtigheid en spanning tegelijk aanlegt, is de temperatuur-vochtigheid-biastest (THB).

Welke representatieve betrouwbaarheidstest beoordeelt de levensduur of uitvalsnelheid door een product lang bij hoge temperatuur te laten werken?

  1. ATemperatuurcyclustest
  2. BLevensduurtest bij hoge temperatuur onder bedrijf (HTOL)
  3. CValtest
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Levensduurtest bij hoge temperatuur onder bedrijf (HTOL)

De HTOL-test (High Temperature Operating Life) laat het product lang werken bij een hoge temperatuur van ca. 125 °C met de maximale bedrijfsspanning of een iets hogere spanning en onderzoekt het optreden van storingen. In het voor voertuigen bedoelde AEC-Q100 worden 77 stuks uit elk van 3 loten 1000 uur getest en worden 0 storingen vereist. Met versnelling door temperatuur en spanning worden uit een korte testtijd de levensduur en uitvalsnelheid bij werkelijk gebruik geschat. De temperatuurcyclustest beoordeelt vermoeiing van verbindingen en de valtest de sterkte tegen schokken.

Welke storing wordt bij de test met hoge temperatuur, hoge vochtigheid en voorspanning (THB en HAST) hoofdzakelijk beoordeeld?

  1. ASoft errors door kosmische straling
  2. BVertraging van de klok
  3. CCorrosie van elektroden en toename van de lekstroom door binnendringend water
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Corrosie van elektroden en toename van de lekstroom door binnendringend water

Als in een omgeving met hoge temperatuur en hoge vochtigheid spanning wordt aangelegd, treden door in de behuizing gedrongen water en onzuiverheidsionen corrosie van aluminium pads en ionenmigratie op, wat leidt tot meer lekstroom en onderbrekingen. THB duurt ca. 1000 uur bij 85 °C/85 % RV, en HAST versnelt het binnendringen van water met onder druk gezette waterdamp van ca. 130 °C en beoordeelt de vochtbestendigheid in een korte tijd van ca. 100 uur. Soft errors en klokvertraging worden met andere tests onderzocht.

  1. Wat is de belangrijkste reden dat bij kwalificatietests van IC's voor auto's in plaats van de temperatuur-vochtigheid-biastest (THB), die 1000 uur bij 85 °C/85%RH wordt uitgevoerd, soms HAST (een test waarbij in waterdamp onder druk bij circa 130 °C/85%RH een bias wordt aangelegd) wordt gebruikt?
  2. Welke storing wordt bij de temperatuurcyclustest hoofdzakelijk beoordeeld?
  3. Welk model wordt vaak gebruikt om bij het schatten van de werkelijke levensduur uit resultaten van tests met hoge temperatuur en hoge vochtigheid de invloed van vochtigheid als macht van de relatieve vochtigheid uit te drukken?
  4. Welk model beschrijft de vermoeiingslevensduur van soldeerverbindingen bij temperatuurcycli aan de hand van het verband tussen de omvang van het temperatuurbereik (omvang van de rek) en het aantal herhalingen?
  5. Welke norm wordt veel gebruikt als maatstaf voor betrouwbaarheidstests van geïntegreerde schakelingen voor voertuigen?

Oefenvragen over Betrouwbaarheid

Belangrijke termen uitgelegd

HTOL (high temperature operating life)
Betrouwbaarheidstest waarbij producten lang bij hoge temperatuur onder spanning werken om de levensduur en het uitvalpercentage van chips versneld te beoordelen. Een typische conditie is 1000 uur bij ongeveer 125 °C.
THB (temperatuur-vochtigheid-biastest)
Betrouwbaarheidstest die in een hete, vochtige omgeving, typisch 85 °C/85% RV, spanning aanlegt om corrosie en toenemende lekstroom te beoordelen die ontstaan door vocht dat de package binnendringt. Ook de 85/85-test genoemd.
HAST (highly accelerated stress test)
Test die in stoom onder druk bij hoge vochtigheid en temperaturen boven 100 °C een biasspanning aanlegt om de vochtbestendigheid snel te beoordelen. Zo geldt bijvoorbeeld 96 uur bij 130 °C/85% RV als gelijkwaardig aan 1000 uur temperatuur-vochtigheid-biastest (THB) bij 85 °C/85% RV.
Temperatuurcyclustest
Betrouwbaarheidstest die herhaaldelijk hoge en lage temperaturen aanbrengt om vermoeiing van soldeerverbindingen en scheuren of delaminatie in de package te beoordelen, veroorzaakt door verschillen in thermische uitzetting tussen materialen.
Opslagtest bij hoge temperatuur (HTS)
Betrouwbaarheidstest waarbij producten zonder aangelegde spanning op hoge temperatuur worden gehouden om de degradatie van wirebondverbindingen, het gegevensbehoud van niet-vluchtig geheugen en vergelijkbare effecten te beoordelen. Ook HTS of HTSL genoemd.
Burn-in
Test waarbij producten onder stress (hoge temperatuur, hoge spanning, enz.) worden bedreven om exemplaren die gevoelig zijn voor vroege uitval vóór levering te verwijderen.
Arrheniusmodel
Model waarin de snelheid van een reactie of degradatie met de temperatuur verandert volgens exp(−Ea/kT). Wordt gebruikt om uit de resultaten van versnelde tests bij verhoogde temperatuur de levensduur bij de werkelijke gebruikstemperatuur te schatten.
Badkuipcurve (bathtub curve)
Curve die het verloop van de uitvalsnelheid in de tijd weergeeft. Ze bestaat uit de periode van vroege uitval, de periode van toevallige uitval en de periode van slijtage-uitval en lijkt op een badkuip.
AEC-Q100
Kwalificatiestandaard voor betrouwbaarheidstests van geïntegreerde schakelingen voor auto's, opgesteld door de Automotive Electronics Council (AEC). Kent bedrijfstemperatuurklassen: Grade 1 is −40 tot 125 °C en Grade 0 is −40 tot 150 °C. Discrete halfgeleiders vallen onder AEC-Q101 en passieve componenten onder AEC-Q200.
MSL (vochtgevoeligheidsniveau)
Klasse die aangeeft hoe gemakkelijk een SMD-component vocht opneemt, vastgelegd in JEDEC J-STD-020. Bepaalt de toegestane floor life tussen het openen van de vochtwerende zak en reflow: 168 uur bij hoogstens 30 °C/60% RV voor MSL 3. Componenten waarvan de floor life is verstreken, worden vóór montage drooggebakken.

Verwante vergelijkingen