IC芯片可靠性测试技术的深度剖析

一、IC芯片可靠性测试技术的基本概念

IC芯片可靠性测试是指通过对芯片进行各种应力条件下的测试，评估其在规定时间内能否正常工作，以及出现故障的概率和故障原因的测试过程 。这一测试至关重要，因为IC芯片已成为各种电子设备的核心组件，像手机、电脑等设备都依赖IC芯片运行。其可靠性直接影响设备的性能和稳定性，是保证设备正常运行的关键因素。并且有助于提高芯片的质量和可靠性，避免因芯片故障而导致的损失和安全问题，例如在航空航天设备或者医疗设备中，如果芯片出现故障可能会导致灾难性的后果 。

从测试类型看，IC芯片可靠性测试包含多种类型。环境应力筛选是通过模拟芯片实际工作环境中的应力条件，从而筛选出存在潜在故障的芯片。芯片在不同工作环境下会面临诸如温度、湿度等各种应力，通过环境应力筛选可以将那些在正常工作环境中可能出现故障的芯片找出来。例如在高温高湿环境中，芯片可能会发生短路或者性能下降等问题，该测试就能提前发现此类隐患 。

高加速寿命试验的目的在于加速芯片的老化过程，进而评估其在使用寿命期间的可靠性。由于随着芯片技术发展，正常使用寿命内的自然老化检测耗时太长，所以该测试可在短时间内模拟长时间使用的效果。这是利用更高的电压、温度等作为加速因子，通过与实际正常使用下的寿命曲线对比，可以预测芯片在实际使用中的寿命情况 。

高温反偏试验则是在高温条件下对芯片施加反向电压，检测其耐受能力和可靠性。这种工况在芯片实际运行中是可能遇到的极端情况之一，例如某些特殊电路中，芯片可能会处于高温且有反向电压的工作环境。通过该试验，可以知道芯片在此极端状况下的性能表现 。

电气特性测试主要专注于测试芯片的电流、电压等电气特性，以评估其性能和可靠性。芯片的各项功能实现都基于其内部的电学环境，通过测试电流、电压等特性，可以及时发现电路是否存在短路、断路或者其他异常情况，保障芯片的正常工作 。

功能测试是通过输入预设的测试模式，检查芯片的输出是否符合预期，从而验证其功能正常。从设计角度看，每个芯片都有其特定功能，功能测试就是确保这种设计功能在实际测试中得到实现，这是确保芯片满足设计功能要求最基本的测试类型 。

故障模拟与仿真包含故障注入和仿真分析。故障注入是通过模拟故障情况，评估芯片在异常条件下的可靠性，进一步挖掘芯片在特殊工况下故障应对能力及稳定性隐患，为芯片设计和可靠性优化提供依据；仿真分析是利用计算机仿真技术，模拟芯片在实际工作环境中的性能表现。仿真分析的优势是能在更短时间内覆盖更多测试场景，从理论层面评估芯片可靠性，相比实际测试更加高效 。

二、常见的IC芯片可靠性测试方法

（一）温度循环测试

温度循环测试旨在评估芯片在不同温度条件下的性能和可靠性，以模拟实际使用环境中的温度变化 。其测试温度通常涵盖了芯片所需的操作温度范围，包括常温、极端高温和低温，如- 40°C到125°C之间的循环变化 。测试中会进行多个温度循环，一个典型的循环包括一段时间的高温暴露和一段时间的低温暴露，循环次数可依据芯片的设计寿命要求来确定。

具体的测试过程中，模拟在高温循环期间，芯片被暴露在高温环境中，可能通过热板、热箱来实现。这种高温环境下的测试能够揭示芯片在高温条件下的性能特性，如功耗可能会因为长时间高温存储使芯片内部电路中的漏电流增加而变化，并且内部的特性参数可能会随着温度的变化而发生漂移，导致性能降低 。同理，在低温环境下，芯片的性能同样可能受到影响，如材料变脆等。通过多个温度循环，可以检测到由于温度变化引起的结构应力、热膨胀差异、焊点疲劳等问题，这些问题有可能导致接触不良、焊接断裂、金属疲劳等故障 。

（二）湿热测试

湿热测试是将芯片放置在高温高湿环境中，例如85°C和85%相对湿度的环境中持续一段时间 。该测试是对芯片在潮湿环境下性能的评估。芯片的封装材料、内部电路结构等都会受到湿度的影响。在高湿度环境下，水分可能会渗透到芯片内部，导致电气性能下降，例如使绝缘性能降低而产生短路现象，也可能引起芯片表面或内部的材料腐蚀、膨胀或者剥离。在测试过程中，需要检查芯片的电气性能和物理完整性，从而评估其对潮湿环境的抵抗能力，对于验证芯片在恶劣环境下能否正常工作具有重要意义。

（三）高加速寿命测试（HALT）

HALT通过加速应力（如温度、振动等）快速评估芯片的失效模式和寿命 。在实际中，芯片的正常使用寿命可能很长，像很多电子设备中的芯片可能有5 - 10年甚至更长的使用寿命，但是为了能在短时间内评估芯片的可靠性，就采用这种加速测试方法。加速应力例如温度，可以提高到超出正常工作范围的温度，通过这种极端条件，识别潜在的设计缺陷和材料问题，从而确定芯片的可靠性极限。这样可以在芯片研发和生产的早期阶段就发现问题，以便采取改进措施提高芯片的可靠性。

（四）电气应力测试

电气应力测试是施加超出正常工作范围的电压和电流，然后观察芯片的响应 。在正常工作情况下，芯片的电压和电流是有一定的标准范围的，而该测试故意偏离这个范围。例如，对于一个正常工作电压为3.3V的芯片，可能会施加4V或者更高的电压，在更高的电压下，芯片内部的电子迁移速度加快，可能会引起材料的电迁移问题，使芯片的某些部分性能下降，如金属导线电阻增大或者出现断路等。通过这个测试可以检查芯片在过载条件下的耐受能力和失效模式，这对于评估芯片在特殊工况下或者在受到电源波动时的安全性和可靠性具有重要价值。

（五）机械应力测试

机械应力测试包含振动、冲击和跌落测试等，主要目的是评估芯片在机械应力下的性能 。在芯片的生产、运输、使用过程中，都可能会遭遇各种机械应力。例如，在一些便携式电子设备中，如手机，芯片可能会因为设备的不慎跌落而受到冲击；在振动环境比较大的设备中，如汽车内部的电子控制系统中的芯片，会持续受到振动影响。通过振动、冲击和跌落测试，可以观察芯片的物理完整性和功能稳定性，检测到由于跌落或震动引起的连接断裂、结构损坏、材料破裂等问题，从而分析芯片在实际使用条件下的抗冲击和抗振动能力，并为改进设计和制造过程提供参考。

（六）老化测试

老化测试通常是在高温下让芯片持续工作一段时间，以加速老化过程 。高温是加速老化的一个有效手段，一般的测试温度会在较高的范围内选取，如100°C - 150°C。在这个过程中，芯片的电气特性、性能和可靠性会随着时间发生变化。长时间的高温可能会导致芯片内部出现诸如热扩散、结构破坏或材料衰变等问题，从而引起电阻变化、电流漏泄、接触不良、金属迁移等故障。通过在老化过程中对芯片的性能监测，可以评估芯片的长期稳定性，确保芯片可以在长时间使用过程中保持稳定的性能。

（七）电磁干扰测试

芯片在工作过程中可能会受到电磁干扰（EMI），也需要满足电磁兼容性（EMC）的要求。电磁干扰测试就是测试芯片在电磁干扰和电磁兼容性条件下的表现 。在现代电子设备日益复杂的电磁环境中，一个芯片可能会受到来自其他电子元件、外部环境产生的电磁辐射影响。例如，在一个布满众多电子设备的机房内，芯片可能会受到其他设备的电磁辐射干扰。如果芯片的电磁兼容性不好，就可能在受到干扰时出现功能不稳定或者性能下降的情况。通过该测试，可以检查芯片在干扰环境中的功能和稳定性，确保芯片不会因为电磁干扰而出现错误动作或者功能丧失。

（八）静电放电（ESD）测试

ESD测试是通过施加静电放电，来测试芯片对静电的耐受能力 。在芯片的生产、运输、使用过程中，都有可能会产生静电。比如在干燥的环境中，当人们将芯片从一个地方转移到另一个地方时，由于摩擦等原因很容易产生静电。而芯片是一个对静电比较敏感的电子元件，当芯片遇到静电放电时，可能会出现内部电路被击穿、性能参数改变、功能失效等问题。ESD测试通过对芯片施加不同程度的静电放电，模拟实际可能出现的静电情况，从而检测芯片能否在一定程度的静电影响下保持正常的性能和功能。

（九）功能测试

在不同的环境条件下进行功能测试，是确保芯片在预期工作条件下的性能的最佳方式 。功能测试是从功能角度验证芯片是否符合设计要求的基本测试方法。芯片的设计功能复杂多样，不同的芯片有不同的功能要求。例如，一个图像处理芯片，需要对输入的图像数据进行特定的滤波、增强等图形处理功能，功能测试就需要输入各种不同的图像数据，检查芯片的输出是否按照设计预期进行处理。无论是在理想的实验室环境下，还是在经过一些其他可靠性测试（如高温、湿度、机械应力等测试后），功能测试都是必不可少的，这是保证芯片功能可靠性的最低防线。

（十）失效分析

失效分析是对已经失效的芯片进行详细分析，找出失效原因的测试方法。在芯片的研发、生产、使用过程中，不可避免会出现芯片失效的情况。通过失效分析，可以围绕芯片的设计、制造、使用等多个环节进行深入排查。比如，从设计结构看是否存在不合理之处，从制造工艺上看是否存在一些可导致芯片失效的操作失误或者工艺误差，从使用过程看是否受到了一些不正常的应用环境或者操作失误影响。例如利用显微镜等设备对芯片内部结构进行观察，检查是否存在金属短路、开路点等物理缺陷或者材料异常；也可以对芯片的电学性能进行测试分析，看是否存在电学参数的异常变动导致芯片失效，一旦找到失效原因，就可以对后续的芯片生产或者设计提出改进建议，从而提高芯片的可靠性。

三、IC芯片可靠性测试的标准与规范

（一）JEDEC相关标准

JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）电子设备工程联合委员会制定了许多IC芯片可靠性测试相关的标准。例如JEP47标准规定了基于高加速条件下的测试要求，如果产品通过基于该标准的测试，则表示器件能用于大多数使用情况。其中的温度循环（TC）测试，按照JED22 - A104标准，是让部件经受极端高温和低温之间的转换，将部件反复暴露于这些条件下经过预定的循环次数。这个标准适用于多种芯片产品，可以有效地检测芯片在温度变化过程中的性能稳定性，评估其对温度变化的耐受能力 。

（二）高温工作寿命（HTOL）标准

HTOL测试通常根据JESD22 - A108标准长时间进行，该测试用于确定高温工作条件下的器件可靠性 。这对于那些在高温环境下长时间工作的芯片，如汽车发动机控制系统中的芯片或者一些高温工业用途的芯片具有重要意义。按照该标准的测试能够让芯片在规定的高温环境下工作一定的时间，然后监测芯片的各种性能参数，从而判断芯片是否还能正常工作并且满足性能要求。

（三）温湿度偏压高加速应力测试（BHAST）标准

根据JESD22 - A110标准，BHAST可以让器件经受高温高湿条件下的可靠性试验。处于高温高湿环境并且带有一定的偏压是很多芯片实际工作环境的一种较为恶劣的等效情况，通过这个测试可以确保芯片在这种极端环境下的稳定性和可靠性。

（四）其他标准与规范

• 湿度测试：将芯片置于不同湿度环境下，检测芯片性能是否受到湿度影响，如在高湿度环境下是否会出现短路等问题。这是确认芯片环境适应性的一个重要测试方面，类似于湿热测试但更侧重于湿度单一因素对芯片性能的影响。

• 静电放电（ESD）测试：检测芯片在静电场中的稳定性和抗扰动能力，防止芯片在受到静电放电时出现损坏或性能异常，该测试有一定的通用测试标准和要求，以确保测试的一致性和有效性。

• 热老化测试：进行高温长时间的老化测试，目的是检测芯片在高温下的稳定性和寿命。不同的芯片产品类型或者应用场景可能对热老化测试的温度、时间等参数有不同的规定或者参考标准。

• 震动测试：模拟芯片在工作过程中的振动，以评估其机械强度、结构设计、制造工艺等方面的可靠性。震动测试一般有对应的速度、幅度、频率等参数标准来规范测试过程，使测试具有可重复性和可比性。

• 压力测试：对芯片结构进行压力测试，以测试其脆性和结构稳定性。针对不同类型芯片、不同封装结构，压力测试的压力范围、加载方式等也有相应的测试要求或者参考标准。

• 焊接可靠性测试：测试芯片焊接点的疲劳寿命和抗裂性。这个测试对于确保芯片在PCB板或其他应用载体上的电气连接稳定性至关重要，有专门针对焊接质量检测的标准和要求。

四、先进的IC芯片可靠性测试技术案例

（一）采用3D - IC（三维集成电路）结构芯片的可靠性测试

随着芯片技术向小型化、多功能化发展，3D - IC结构的芯片应运而生。3D - IC芯片是通过将多个芯片分层叠放并进行垂直互联的方式构建的，这种结构可以大大提高芯片的集成度和性能。但是，它也带来了新的可靠性挑战。

例如，在进行电气特性测试时，由于叠层结构使得电路连接更加复杂，电流传输路径中的电阻、电容等参数受到层间介质、互联结构等因素的影响更大。传统的平面芯片测试方法不再适用，需要采用更加先进的测试技术。利用微纳探针可以实现对3D - IC芯片内部不同层级间的精准电学性能测试，针对于不同层级结构之间的的信号传输损耗、信号完整性等进行测量和评估，从而确保整个芯片在电气特性上的可靠性 。

在热性能测试方面，3D - IC结构芯片的散热问题更为严重。因为多层结构限制了热量的散发，热量容易在芯片内部积聚。使用红外热成像技术实时监测芯片在工作过程中的温度分布，能够直观地发现芯片内部的热热点位置，并且可以据此优化散热结构或者调整工作负载，提高芯片的热可靠性。

（二）车载芯片的高可靠性测试

车载芯片面临着更为复杂和恶劣的工作环境。例如，汽车启动和停止瞬间的电源电压波动非常大，而且车辆行驶过程中会不断受到震动、温度变化（从寒冷的冬天到炎热的夏季）以及潮湿、灰尘等环境因素的影响。

针对车载芯片的高加速寿命测试（HALT），采用更为复杂和极端的加速应力。除了传统的温度、电压加速因子外，还考虑到震动频率、加速度等机械应力。通过模拟汽车在各种极端路况（如颠簸的乡村道路、高速公路的高速行驶）下的机械震动，与温度、电压变化相结合，全面评估车载芯片在使用寿命期间的可靠性。

另外，对于车载芯片的电磁兼容性（EMC）测试，由于车辆内部有众多的电子设备，如发动机控制系统、多媒体系统、安全系统等，这些设备之间的电磁干扰情况复杂多样。采用更严谨的EMC测试设备和环境，模拟各个设备同时工作时产生的电磁干扰场景，确保车载芯片在这种高强度电磁干扰环境下依然能够正常工作。

五、IC芯片可靠性测试技术的发展趋势

（一）更加自动化和智能化

随着芯片技术不断发展，芯片的结构和工作原理变得日益复杂，传统的人工测试已经很难满足大规模生产和高可靠性要求。自动化测试设备（ATE）技术不断进步，能够快速、准确地执行大量的测试，提高测试效率的同时还能保证高精度的测量，有效检测微小的性能差异 。

并且，随着人工智能（AI）和机器学习（ML）的发展，在IC芯片可靠性测试中的应用也越来越广泛。例如，机器学习算法可以分析大量的测试数据，自动识别芯片潜在的可靠性问题或者异常模式。智能优化技术可以自动优化测试流程，根据芯片的类型、测试项目的优先级等因素，合理安排测试顺序，减少测试时间。同时，利用AI技术还可以对芯片在实际工作环境中的可靠性进行预测，提前发现可能出现故障的芯片，为芯片的设计、生产和维护提供指导意见。

（二）多物理场耦合测试

伴随着新型芯片因具备高密度、高集成度、多功能等特征所带来的更为复杂的热、电、力等多物理场耦合效应，多物理场耦合测试逐渐成为IC芯片可靠性测试的发展方向。芯片在工作过程中，温度、湿度、应力、电场、磁场等物理因素相互交织影响芯片的可靠性。传统的单一物理场测试方法难以对这种复杂的耦合效应进行全面准确的评估。

多物理场耦合测试则是将热、电、力等多个物理场的测试条件进行综合考虑并同时施加，模拟芯片在实际复杂工作环境中的真实状态。例如，在模拟一个服务器芯片的工作场景时，不仅要考虑芯片内部的电学特性和散热导致的温度场变化，还要考虑服务器机箱的机械振动对芯片结构造成的应力场影响，在测试过程中将这几种物理场同时作用在芯片上进行评估，以此得到接近真实环境下芯片的可靠性状况，并且可以对芯片设计、封装等过程进行优化，提高芯片在多物理场耦合环境下的可靠性表现。

（三）原位测试技术

原位测试技术是指在芯片的实际工作环境或者状态下直接进行测试，而不需要将芯片从设备中取出或者改变其运行状态。这种测试技术使得测试结果更能反映芯片的实际可靠性。例如，对于植入人体的医疗芯片，传统的测试方法需要将芯片从使用环境中取出进行测试，这不仅操作复杂而且可能会影响芯片的正常工作。而原位测试技术可以利用微型传感器、无线通信技术等手段，直接在芯片处于植入人体正常运作的状态下进行性能和可靠性的测试，这样获取到的数据更接近实际情况，对芯片的后续改进以及医疗设备整体性能的提高都有重要意义。

（四）非破坏性与无接触测试

在芯片测试过程中，为了避免传统测试方法对芯片造成的损坏或者污染，非破坏性、无接触的测试方法备受关注与发展。例如，光学探测技术，通过反射、折射、散射等光学原理对芯片内部结构和性能进行检测，无需与芯片进行物理接触，不会对芯片造成任何机械损伤。另外，电容耦合非接触式测试方法，利用芯片在电场中的电容效应来获取芯片的电学特性信息，无需在芯片上进行电极连接等操作，有效保护了芯片的完整性。这些非破坏性与无接触测试技术可以大大提高测试后芯片的可用性，对于一些对芯片完整性要求较高，如航空航天、高端医疗设备中的芯片，有着重要的应用价值。

IC芯片封装清洗介绍

·          研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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