IC Quality & Reliability Test
* j- w7 U6 S8 _+ x
Writer:bning [2004-4-15 8:58:09]
& \8 E, e8 \2 o3 C8 I/ B. g5 _$ R8 q( ~3 ^
质量（Quality）和可靠性（Reliability）在一定程度上可以说是IC产品的生
+ ^ P$ k" w- {+ [1 H' S$ D
命，好的品质，长久的耐力往往就是一颗优秀IC产品的竞争力所在。在做产品
$ y: x9 D' v) W3 O; B; V验证时我们往往会遇到三个问题，
验证什么，如何去
验证，哪里去
验证，这就
: v: n1 ~0 P* G1 ^
是what, how , where 的问题了。
5 O3 |. T7 h1 v2 \* G* S G7 D+ X解决了这三个问题，质量和可靠性就有了保证，制造商才可以大量地将产
0 p. W$ V) n/ k& k4 L$ a品推向市场，客户才可以放心地使用产品。本文将目前较为流行的测试方法加
/ i/ e% S& u) p以简单归类和阐述，力求达到抛砖引玉的作用。
- v; W S: M1 ]7 p2 r! s9 E# _2 d9 ]* H/ s" z
Quality 就是产品性能的测量，它回答了一个产品是否合乎SPEC的要求，
. _0 I, Z- m) R9 F7 V: L# ^是否符合各项性能指标的问题；Reliability则是对产品耐久力的测量，它回答了
# h f: d1 H% Z! C9 w& L/ t1 X" L1 a
一个产品生命周期有多长，简单说，它能用多久的问题。所以说Quality解决的
! l% Y2 a; ?) o是现阶段的问题，Reliability解决的是一段时间以后的问题。
- b0 s4 b* a) N" \+ m$ u* @
5 ]8 j5 g/ O3 ^% @
知道了两者的区别，我们发现，Quality的问题解决方法往往比较直接，设
4 ?2 i+ J2 U/ `, P7 S
计和制造单位在产品生产出来后，通过简单的测试，就可以知道产品的性能是
/ G: G. D9 Z! t( [" F否达到SPEC 的要求，这种测试在IC的设计和制造单位就可以进行。相对而
; ?& j, B* {9 _) [. f
言，Reliability的问题似乎就变的十分棘手，这个产品能用多久，who knows? 谁
) g9 \8 p" i( C; X% l会能保证今天产品能用，明天就一定能用？为了解决这个问题，人们制定了各
2 T. B" M/ M! c5 f
种各样的标准，如
* K- H- ~( a3 q3 L/ x
MIT-STD-883E Method 1005.8
0 W% f/ y! @& D! F6 A+ j gJESD22-A108-A
, @( _1 Q2 @8 C" K eEIAJED- 4701-D101
) ` X7 B+ ~- w4 X. M9 @3 E等等，这些标准林林总总，方方面面，都是建立在长久以来IC设计，制造和使用的经验
0 M4 d! U$ n* t! A9 U+ v) h
的基础上，规定了IC测试的条件，如温度，湿度，电压，偏压，测试方法等，获得标准
$ D( P! u0 X: G( A {的测试结果。这些标准的制定使得IC测试变得不再盲目，变得有章可循，有法可依，
' r, N; ~" L2 r" y% W; b# K从而很好的解决的what，how的问题。而Where的问题，由于Reliability的测试需要
4 ]1 D$ }( I0 ~) t) \$ u. ~8 n专业的设备，专业的器材和较长的时间，这就需要专业的测试单位。这种单位提供专业
5 g* j# ^2 M+ k2 U0 i+ P的测试机台，并且根据国际标准进行测试，提供给客户完备的测试报告，并且力求准确的
! e8 t0 n/ Q7 `) P回答Reliability的问题
9 \7 |0 y% ^+ m9 c3 O4 \4 m) `" a* ?
+ z; T/ _& n4 j r8 x在简单的介绍一些目前较为流行的Reliability的测试方法之前，我们先来认
* I r; H! B/ ?4 S e3 c$ I+ v( m识一下IC产品的生命周期。典型的IC产品的生命周期可以用一条浴缸曲线
4 {) R. B1 U8 h- z" f: A% H% j
（Bathtub Curve）来表示。
. R! C5 ]' o1 ]! D% w7 x! d9 v& u6 F/ g0 J( T1 @
Region (I) 被称为早夭期（Infancy period）
3 m; A% L4 G/ p7 M7 @4 j
这个阶段产品的 failure rate 快速下降，造成失效的原因在于IC设计和生
9 N8 Q: }" B0 D/ C' V% \4 s产过程中的缺陷；
+ S6 W" \5 `7 P3 W6 i; \Region (II) 被称为使用期（Useful life period）
: `+ w& C8 _; O& E: o6 u- V' h
在这个阶段产品的failure rate保持稳定，失效的原因往往是随机的，比如
7 J: ^. Y& P8 i+ I8 J1 JEOS，温度变化等等；
( q+ p4 h/ ?, Y0 d: l! X% L3 B: CRegion (III) 被称为磨耗期（Wear-Out period）
$ Z# D z9 _2 L! l$ H在这个阶段failure rate 会快速升高，失效的原因就是产品的长期使用所造
! J; n. D$ N m; l
成的老化等。
& K+ @& T7 K# x2 ]( i; H; z! r9 A
5 Q6 v+ P% H* x; z; {
认识了典型IC产品的生命周期，我们就可以看到，Reliability的问题就是
/ g _% e- \5 O# S
要力图将处于早夭期failure的产品去除并估算其良率，预计产品的使用期，并
1 e8 E6 }+ ^9 D" ` t+ m. p且找到failure的原因，尤其是在IC生产，封装，存储等方面出现的问题所造成
y( f7 g, i9 Q4 C7 v: x0 X2 Z4 S
的失效原因。
: H/ y' D& {; |! A/ N+ O4 G
; q2 _ f z8 @; s* q$ m0 u
4 @. ^9 ]' M9 O8 X9 p下面就是一些 IC Product Level reliability test items
$ p. H$ g+ z) e8 {: e
9 \& M0 `& o3 O+ l4 b# V. O! S; [
k% D! d, S0 q>Robustness test items
, h" l* c2 e n' p* E$ QESD, Latch-up
3 q( o7 u; ]+ V- q) W1 W- P
1 @4 Y+ e- R; V [. A; o
对于Robustness test items 听到的ESD，Latch-up 问题，有很多的精彩的说
" q# [0 d- e* X6 T# I( d+ K; H+ G D明，这里就不再锦上添花了。下面详细介绍其他的测试方法。
( d: F: a0 F. k7 V5 U+ w8 p
5 S# Z& M- s$ L, J" j
! g ?! ~7 I; U7 K% O0 ]; U" Q>Life test items
% T( E+ |6 L. f) Q0 e; S- g8 eEFR, OLT (HTOL), LTOL
& [4 u d1 ]* _. x
7 y; C& F! V( n' s1 d7 m7 a6 _! J2 {8 E: i
EFR: Early fail Rate Test
7 j' o6 y/ \! _+ Q4 D/ F; i
+ w6 ~) g) b/ x3 _- m" _Purpose: 评估工艺的稳定性，加速缺陷失效率，去除由于天生原因失效的
3 u# u) t1 r% D' V7 J( h& Q产品。
2 Z' h8 k8 X% l7 s* S+ W# DTest condition: 在特定时间内动态提升温度和电压对产品进行测试
6 k$ q( R7 S' g$ [4 [" x* k
Failure Mechanisms：材料或工艺的缺陷包括诸如氧化层缺陷，金属刻镀，
+ X6 H4 j# U, z2 J离子玷污等由于生产造成的失效
2 O2 k9 U0 E8 h; r1 F$ AReference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
}5 @5 H8 [) H8 l
MIT-STD-883E Method 1015.9
1 s2 E" Z- N4 `5 z" k
JESD22-A108-A
8 v8 V# c4 y+ H/ [+ |/ s( l: j
EIAJED- 4701-D101
" m+ }4 V7 Z( d/ l K0 R/ e
& F& {& x3 h6 F; ^* ^8 J/ |& p$ n+ G6 C
HTOL/ LTOL：High/ Low Temperature Operating Life
8 d {0 \3 V$ m, T, e4 \8 M* b8 u$ l
& _. X3 Z* M; R% w4 H, yPurpose: 评估器件在超热和超电压情况下一段时间的耐久力
# `+ ?4 D% C: o3 h3 @6 {
Test condition: 125?C，1.1VCC, 动态测试
" ]3 a8 `& K' b
Failure Mechanisms：电子迁移，氧化层破裂，相互扩散，不稳定性，离子
5 @5 U: F; j0 K# b, w* D
玷污等
' ~. M" X4 b0 t) ?
Reference： 简单的标准如下表所示，125?C条件下1000小时测试通过
3 u' L& H8 ]% \IC可以保证持续使用4年，2000小时测试持续使用8年；150?C 测试保证使用
7 |$ A" g% n2 b) s8 j7 P! A( ]8 b8年，2000小时保证使用28年。
# o: L+ {' l3 f' a125?C 150?C
d9 P0 i o7 s3 P) j$ B1000 hrs 4 years 8 years
" K$ x, `/ { s: V* Q* a4 v2000 hrs 8 years 28 years
- m. E4 y5 A2 P( x9 o" Y. L9 u
/ k' { t3 p% ]" e$ V6 `具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
: Y! O* s3 u, d6 H# h$ gMIT-STD-883E Method 1005.8
% K$ S6 Z! V$ f6 Z/ \/ c* O! o
JESD22-A108-A
5 O: o: |) o ]$ _; S
EIAJED- 4701-D101
* n2 \7 h) ]# I N6 H" o
' H8 i$ u% j$ z9 f1 `7 n" B
>Environmental test items
* O1 g5 Q$ i( G$ @0 C
PRE-CON, THB, HAST, PCT, TCT, TST, HTST, Solderability Test,
0 l9 Y, I3 Z! ~# z f$ T
Solder Heat Test
+ K6 ?! ^4 P1 I0 W+ C3 l
5 ~" |: O. R# A: P s. F3 HPRE-CON: Precondition Test
; N2 N/ S: U: L3 s2 q
+ }* i4 X1 ]3 M8 x3 K! a- _Purpose: 模拟IC在使用之前在一定湿度，温度条件下存储的耐久力，也就
9 ]! {, W2 m; A7 W: e
是IC从生产到使用之间存储的可靠性。
! p0 I% ^& J. ?0 r: N: `. L! S8 I, wTest Flow:
O1 S- ]) Z6 x4 j3 u+ e+ _Step 1: SAM (Scanning Acoustic Microscopy)
+ ^& o' G6 ^7 f' g# V# S% W
Step 2: Temperature cycling
1 H# `% l" E$ c/ O- 40?C(or lower) ~ 60?C(or higher) for 5 cycles to simulate shipping conditions
+ G4 _* ~9 E; F2 E8 \
Step 3: Baking
% U, X8 T% t8 g7 Z1 _
At minimum 125?C for 24 hours to remove all moisture from the package
$ ~4 W+ q6 t+ g) l- TStep 4: Soaking
: ?: F& `, c9 r, q) c# j3 l
Using one of following soak conditions
( o6 C7 z- q! U; q- m; ]
-Level 1: 85?C / 85%RH for 168 hrs （多久都没关系）
4 a, t2 N5 e1 ~; a) i, f0 I
-Level 1: 85?C / 60%RH for 168 hrs （一年左右）
- x m& E% ]1 V3 v5 i
-Level 1: 30?C / 60%RH for 192 hrs （一周左右）
* d9 J0 m1 t! yStep5: Reflow
3 |% a* b1 D1 I. v: k+ h/ u240?C (- 5?C) / 225?C (-5?C) for 3 times (Pb-Sn)
2 M! D' V1 {6 B7 U! O. ?( L
245?C (- 5?C) / 250?C (-5?C) for 3 times (Lead-free)
9 t: t3 p- E C/ _, L% }- m
* choose according the package size
; p4 {! y3 k3 v# `" I& b% I0 a
# q6 S. y* d% J6 PFailure Mechanisms: 封装破裂，分层
+ e. X8 }6 b4 c" I% PReference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
6 Y; l& i4 C6 ] i$ m3 h& bJESD22-A113-D
% v1 b# c- ?" x. ~) e" D
EIAJED- 4701-B101
7 [ [* ^4 s f. R7 B F0 W0 C- V
7 o% `, O$ l0 Q
THB: Temperature Humidity Bias Test
0 S& e9 j; z6 U9 I9 K+ Z8 K
/ b! m, p0 g) @/ q6 lPurpose: 评估IC产品在高温，高压，偏压条件下对湿气的抵抗能力，加速其失效进程
1 Q4 M$ B2 n& v+ W& g/ [4 P
Test condition: 85?C，85%RH, 1.1 VCC, Static bias
0 y( Q# o$ [) w, j4 VFailure Mechanisms：电解腐蚀
& N5 W- }8 B& k0 h' e6 t! v& S: PReference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
' U( U1 i7 G3 i/ ?) s8 oJESD22-A101-D
( e1 b4 g- w" V& S0 _* PEIAJED- 4701-D122
" V9 `7 u% B2 y
5 P C; S; H# {3 e% {
HAST: Highly Accelerated Stress Test
$ q8 V: C: R3 f8 c" n8 v' Y3 F+ C/ X) X! e/ Z* o1 m& _
Purpose: 评估IC产品在偏压下高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
7 w5 ]. x% ^ ^7 eTest condition: 130?C， 85%RH, 1.1 VCC, Static bias，2.3 atm
: A& g$ H( ~, q4 C& pFailure Mechanisms：电离腐蚀，封装密封性
( m, k3 n1 Z# G% dReference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
7 t2 I r: p( e, W
JESD22-A110
& z6 V5 X1 k: [# F. s
; X( C' J8 p4 ]# j+ e/ D, G( H2 [+ i3 e. u9 \& g* s, P
PCT: Pressure Cook Test (Autoclave Test)
7 G" @) e7 ^9 V! ^ \' D* p0 l3 c. `* I% U& v5 S3 ~7 L
Purpose: 评估IC产品在高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
) R+ q! L$ Y4 }8 ATest condition: 130?C， 85%RH, Static bias，15PSIG（2 atm）
1 ^1 ?0 Y$ A1 I) G& L- u5 B6 j* ^+ YFailure Mechanisms：化学金属腐蚀，封装密封性
, \4 l' W5 r2 l- ^ {* o
Reference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
3 h4 g* b# Q* T0 ]
JESD22-A102
3 H6 r0 L& h$ Y
EIAJED- 4701-B123
$ ?" l7 C! B( B; r3 v& L; R5 C7 A% @
. p' D: U8 {' [8 G% v*HAST与THB的区别在于温度更高，并且考虑到压力因素，实验时间可以缩短，而PCT则不加偏压，但湿度增大。
0 h: H5 z& ?( T0 n
C' j; F3 C! h% F& E+ T6 x; ]TCT: Temperature Cycling Test
' M* ~! H- a8 Q2 m
* D. z2 @- u! G5 e. KPurpose: 评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良
$ L W' R8 \- U
率。方法是通过循环流动的空气从高温到低温重复变化。
9 E; e9 a) s' b% ]2 w- }
Test condition: Condition B: - 55?C to 125?C
. b0 b1 p" N& i( `
Condition C: - 65?C to 150?C
; i( A, d2 b: b' w4 RFailure Mechanisms：电介质的断裂，导体和绝缘体的断裂，不同界面的分层
7 T! }, i4 o. }9 \: n/ K: t" ^0 d0 d
Reference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
0 D: s6 b. Q% ^+ w
MIT-STD-883E Method 1010.7
0 Y6 D5 M' Z; J2 K" UJESD22-A104-A
( |- u. @9 M0 \" ]% G, L5 b
EIAJED- 4701-B-131
& l- L% q2 t6 k8 _" w/ i
+ G2 ]/ l! r& S+ x1 J5 C
TST: Thermal Shock Test
7 [% e8 h \5 D3 ? l! P0 R* [
2 Y2 R! E0 T: m9 @* t
Purpose: 评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良
; U9 f: I7 g$ U; v8 v7 D. m" R6 J率。方法是通过循环流动的液体从高温到低温重复变化。
4 L/ F" s( g: D, V* }6 dTest condition: Condition B: - 55?C to 125?C
- W2 Z7 g) e. D; c9 }# o; v
Condition C: - 65?C to 150?C
! t; b( Y+ d$ @/ ?" y( ~. bFailure Mechanisms：电介质的断裂，材料的老化（如bond wires）, 导体机
) m" F5 R6 u: K
械变形
! m I- _& T$ \: _: A$ I O4 `
Reference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
5 a0 w/ U( d8 X/ k5 IMIT-STD-883E Method 1011.9
- n+ p2 c6 M# X/ F% H1 d# J' DJESD22-B106
; S- Q6 p/ i. j: H% o
EIAJED- 4701-B-141
/ V6 H* N8 O' R, v; S; G# c2 K3 P# X( D# S/ h
* TCT与TST的区别在于TCT偏重于package 的测试，而TST偏重于晶园的测
1 r- n5 j& A% d2 A* z3 S) x
试
* i8 ^- {# F( W& L5 ~4 b1 S
- J2 _ Q/ a$ `HTST: High Temperature Storage Life Test
8 k) F$ W: b4 x% [
( S) C9 W8 e! xPurpose: 评估IC产品在实际使用之前在高温条件下保持几年不工作条件
7 L4 d5 \7 L) G2 J7 p& _下的生命时间。
! `; X% N- A) Z7 |7 |+ ^( pTest condition: 150?C
* d+ }% j2 L( v0 y$ t n2 IFailure Mechanisms：化学和扩散效应，Au-Al 共金效应
* [6 W2 s Q2 \+ D: X; l A, bReference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
A7 r3 y$ W5 W$ ~
MIT-STD-883E Method 1008.2
; x/ x7 _3 g( s2 ^# \9 ^
JESD22-A103-A
9 l3 ^9 K; \0 iEIAJED- 4701-B111
$ c5 Q; f3 T0 `0 w+ S# m
; @3 t& P: h$ H
Solderability Test
2 c3 H& I. B6 j% O" s+ Q
- N7 w& ?! D" ]% g6 G9 y2 N0 TPurpose: 评估IC leads在粘锡过程中的可考度
9 N L/ r8 o' G* G4 h8 ZTest Method: 1. 蒸汽老化8 小时
' h/ {" a4 w2 A& B+ L) D" K
2. 侵入245?C锡盆中 5秒
1 Y( o3 B* A) \8 y% p' @7 p
Failure Criterion：至少95％良率
5 f5 n+ s6 W0 p1 F# V, L
Reference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
& F# e) q% Z0 i! q2 ]
MIT-STD-883E Method 2003.7
- T- E8 x0 Y* r- l5 Z- G s1 Y/ c6 ^4 d7 hJESD22-B102
7 c# w7 u7 [, i/ m+ b; k8 A) s0 \
" V. d& T4 L$ M1 M& x' p" r7 X& i- YSHT Test: Solder Heat Resistivity Test
) K- A( f7 ]7 A* k- h5 I
; a% f$ j0 t/ s3 W
Purpose: 评估IC 对瞬间高温的敏感度
0 ?4 ^' s# ~2 @, |1 R, Y% n/ {) TTest Method: 侵入260?C 锡盆中10秒
7 _6 O6 `! c3 h
Failure Criterion：根据电测试结果
; y4 R. W+ W, d3 n3 Z: ]Reference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
, o; @ c& T* D- H) o# JMIT-STD-883E Method 2003.7
! [, X3 z9 O' W. w' s
EIAJED- 4701-B106
0 H- u' b5 |' T: A. _- T8 f# H" ~5 p. K' H3 A* j* t
>Endurance test items
+ D5 k9 L# L8 }Endurance cycling test, Data retention test
9 y: H, g8 ^, U' U
. ]. P; b2 L9 A* n3 C' M* Z" d5 d5 R
Endurance Cycling Test
% v/ Z' [1 H1 M6 y9 N# U# H$ g8 T9 ]; G7 g; B$ T( e
Purpose: 评估非挥发性memory器件在多次读写算后的持久性能
) |& N* U6 m1 W# E. j- Y
Test Method: 将数据写入memory的存储单元，在擦除数据，重复这个过
' D0 P% t4 o5 H9 C# M; c4 Q3 q程多次
' @: e) g- v9 [' D6 p1 E0 v* n6 a
Test condition: 室温，或者更高，每个数据的读写次数达到100k~1000k
+ M/ T/ Z p7 [( e$ w: u+ m
Reference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
8 ]. V; H" j( u, M9 x
MIT-STD-883E Method 1033
^; n5 k" N8 j5 }
9 J' W( e Y3 [1 H# G+ k ?Data Retention Test
9 G3 X* m4 ]' M3 S+ T" n; O
4 w6 A3 ?! q% h! v5 i) y: R6 ]Purpose: 在重复读写之后加速非挥发性memory器件存储节点的电荷损失
. V2 r' g' ]8 {( ?7 yTest condition: 在高温条件下将数据写入memory存储单元后，多次读取验
& W* l0 Y$ ~# S0 C; i# ]! C证单元中的数据
% {- H. F' U/ N* d* e% l+ d
Failure Mechanisms：150?C
( D" Y* T; }% D" [" J2 qReference：具体的测试条件和估算结果可参考以下标准
! ^, z3 x1 y4 a2 t, M" zMIT-STD-883E Method 1008.2
9 t" A) B& |# ~! S5 @
MIT-STD-883E Method 1033
$ S% _0 V! G- d' t' F
5 l2 J% c3 t5 `/ Y8 q在了解上述的IC测试方法之后，IC的设计制造商就需要根据不用IC产品的
( a- ]5 O/ y1 E5 _+ }+ w性能，用途以及需要测试的目的，选择合适的测试方法，最大限度的降低IC测
6 f2 W- B4 \3 m! t2 u5 Q8 T试的时间和成本，从而有效控制IC产品的质量和可靠度。
9 z. R% {# s) s3 F4 b# r
^0 s9 D: C$ M% V8 d. | y
3 }0 I& K4 t1 l7 T
本文如有任何不妥之处，请不吝指出。
: E1 U( q5 ^2 [; }+ {& r$ Kbning@chalayout.com
0 h6 P w/ t2 }2 J. C; o( B6 F0 t( ^- w2 ]
参考文献：
8 d7 J* C6 M& |! l! S1．IC Product Reliability Testing in Reliability & Failure Analysis 测试研讨会
, `: a" w H( R: v( k
Author：张荃钧 （IST）
