图(1)所示的统计学上的浴盆曲线(Bathtub Curve)很清晰地描述了生产厂商对产品可靠性的控制,也同步描述了客户对可靠性的需求。
上图所示的早夭区是指短时间内就会被损坏的产品,也是生产厂商需要淘汰的,客户所不能接受的产品;正常使用寿命区代表客户可以接受的产品;耐用区指性能特别好,特别耐用的产品。由图上的浴缸曲线可见,在早天区和耐用区,产品的不良率一般比较高。在正常使用区,才有比较稳定的良率。大部分产品都是在正常使用区的。可靠性测试就是为了分辨产品是否属于正常使用区的测试,解决皁期开发中产品不稳定,良率低等问题,提高技术,使封装生产线达到高良率,稳定运行的自的。
一般封装厂的可靠性测试项目有6项,如表1所示
各个测试项都有一定的目的,针对性和具体方法,但就测试项目而言,基本上都与温度,湿度,压强等环境参数有关,偶尔还会加上偏压等以制造恶劣破坏环境来达到测试产品可靠性的自的。
6种测试项目是有先后顺序的,如图(2)所示。Preconditioning Test是首先要进行的测试项目,之后进行其他5项的测试。之所以有这种先后顺序,是由PRECON TEST的目的决定的,在以下的章节中,我们分别讲述各种测试的具体内容,目的。鉴于PRECON TEST特殊性,将放在后介绍。
3、T/C测试(温度循环测试)
温度循环试验箱如图3所示,由一个热气腔,一个冷气腔组成,腔内分别填充着热冷空气(热冷空气的温度各个封装厂有自己的标准,相对温差越大,通过测试的产品的某特性可靠性越高)。两腔之间有个阀门,是待测品往返两腔的通道。
在封装芯片做T/C测试的时候,有4个参数,分别为热腔温度,冷腔温度,循环次数,芯片单次单腔停留时间。
如表2所示的参数就代表T/C测试时把封装后的芯片放在150℃的温度循环试验箱15分钟,再通过阀门放入-65℃的低温箱15分钟,再放入高温箱,如此反复1000次。之后测试电路性能以检测是否通过T/C可靠性测试。
在封装体中,有许多种材料,材料之间都有相应的结合面,在封装体所处环境的温度有所变化时,封装体内各种材料就会有热胀冷缩效应,而且材料热膨胀系数不同,其热胀冷缩的程度就有所不同,这样原来紧密结合的材料结合面就会出现问题。图示4是以Lead frame封装为例,热胀冷缩是的具体情况:其中主要的材料包括lead frame的Cu材料,芯片的硅材料,连接用的金线材料,还有芯片粘接的胶体材料。其中EMC与硅芯片,Lead frame有大面积基础,比较容易脱层,硅芯片与粘合的硅胶,硅胶和leadframe之间也会在T/C测试中失效。
再由图5来看一下T/C测试中的几个失效模型。
4、T/S测试(冷热冲击测试)
T/S测试和T/C测试有点类似,不同的是T/S测试环境是在高温液体中转换,液体的导热比空气快,于是有较强的热冲击力。
例如表3所示的参数,就代表在2个隔离的区域分别放入150℃的液体和-65℃的液体,然后把封装产品放入一个区,5分钟后再装入另一个区,由于温差大,传热环境好,封装体就受到很强的热冲击,如此往复1000次,来测试产品的抗热冲击性,终也是通过测试电路的通断情况断定产品是否TS可靠性测试。
5、HTS测试
HTS测试是把封装产品长时间放置在高温氮气烤箱中,然后测试它的电路通断情况。
如表4参数表示封装放置在150℃高温氮气烤箱中1000小时(图7中)。
例如图8所示的kirkendall孔洞产生就是因为物质可扩散作用造成的。
TH (Temperature & Humidity)测试,是测试封装在高温潮湿环境下的耐久性的实验
如图9所示,TH测试是在一个能保持恒定温度和适度的蓝狮中进行的,一般测试参数如表5
7、PCT测试
PCT (Pressure Cooker Test),是对封装体抵抗抗潮湿环境能力的测试。PCT测试与TH测试类似,只是增加了压强环境以缩短测试时间,通常做PCT测试的工具我们叫“高压锅、蓝狮在线”。
PCT测试的参数如表6所示:
在PCT测试后,也同样是测试产品的电路通断性能。在Leadframe封装中,Leadframe材料和EMC材料结合处很容易水分渗入,这样就容易腐蚀内部的电路,腐蚀铝而破坏产品功能。这种情况,一般建议用UV光来照射产品检测Leadframe材料和EMC材料结合情况。
Precon测试模拟的过程如下图所示:
产品完成封装后需要包装好,运输到组装厂,然后拆开包装把封装后芯片组装在下一级板子上,并且组装还要经过焊锡的过程,整个过程既有类似TC的经过,也有类似TH的过程,焊锡过程也需要模拟测试。
模拟吸湿过程的6个等级如表7所示,1的等级,依次下降,看需要选择等级。
在Precon测试中,会出现的问题有:爆米花效应,脱层,电路失效等问题。这些问题都是因为封装体会在吸湿后再遭遇高温而造成的,高温时,封装体内的水分变为气体从而体积急剧膨胀,造成对封装体的破坏。我们应该减弱EMC的吸湿性解决爆米花效应,减少封装的热膨胀系数,增强附着能力来脱层问题,防止电路失效发生。
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