半导体器件（HAST）强加速稳态湿热试验方法

文章来源：东莞市瑞凯环境检测仪器有限公司

1、范围
GB/T 4937的本部分规定了强加速稳态湿热试验(HAST)方法,用于评价非气密封装半导体器件在潮湿的环境下的可靠性。
2、强加速稳态湿热试验（HAST）一般说明
强加速稳态湿热试验通过施加严酷的温度、湿度和偏置条件来加速潮气穿透外部保护材料(灌封或密封)或外部保护材料和金属导体的交接面。此试验应力产生的失效机理通常与“85/85”稳态温湿度偏置寿命试验(见IEC 60749-5)相同。试验方法可以从85℃/85% RH稳态寿命试验或本试验方法中选择。在执行两种试验方法时,85℃/85%RH稳态寿命试验的结果优先于强加速稳态湿热试验(HAST)。
本试验方法应被视为破坏性试验。
3、试验设备
试验需要一台能连续保持规定的温度和相对湿度的压力容器——HAST试验箱（生产商——东莞市瑞凯环境检测仪器有限公司），同时提供电连接,试验时给器件施加规定的偏置条件。
3.1 HAST试验箱简介
瑞凯仪器HAST设备用于评估非气密性封装IC器件、金属材料等在湿度环境下的可靠性。通过温度、湿度、大气压力条件下应用于加速湿气的渗透，可通过外部保护材料（塑封料或封口），或在外部保护材料与金属传导材料之间界面。它采用了严格的温度，湿度，大气压、电压条件，该条件会加速水分渗透到材料内部与金属导体之间的电化学反应。失效机制：电离腐蚀，封装密封性。

产品特点：
可定制BIAS偏压端子组数，提供产品通电测试
通过电脑安全便捷的远程访问
多层级的敏感数据保护
便捷的程序入口、试验设置和产品监控
试验数据可以导出为Excel格式并通过USB接口进行传输
可提供130℃温度、湿度85%RH和230KPa大气压的测试条件
3.2 受控条件
在上升到规定的试验环境和从规定的试验环境下降过程中,HAST试验箱应能够提供受控的压力、温度和相对湿度条件。
3.3 温度分布
推荐记录每一次试验循环的温度分布,以便验证应力的有效性。
3.4 受试器件
受试器件应以最小化温度梯度的方式安装。受试器件应放置在箱体内距箱体内表面至少3cm,且不应受到发热体的直接辐射。安装器件的安装板应对蒸汽循环的干扰最小。
3.5 最小化污染物释放
应认真选择安装板和插座的材料,将污染物的释放减到最少,将由于侵蚀和其他机理造成的退化减到最少。
3.6 离子污染
应对HAST试验箱(插件柜、试验板、插座、配线储存容器等)的离子污染进行控制,以避免试验样品受到污染。
3. 7 去离子水
应使用室温下电阻率最小为1X104 Q. m的去离子水。
4、试验条件
试验条件由温度、相对湿度和器件上施加规定偏置的持续时间组成。
4.1典型的温度、相对湿度和持续时间.
温度、相对温度和持续时间见表1。

4.2偏置准则
根据下列准则施加偏置:
a) 最小功率耗散;
b)尽可能多的交替施加引出端偏置;
c) 芯片上相邻的金属化线之间的电压差尽可能的高;
d)在工作范围的最高电压;
注:.上述准则的优先选择应基于结构和特定的器件性能。
e) 可采用两种偏置中任意一种满足上述准则,并取严酷度较高的一-种:
1)持续偏置
持续施加直流偏置。当芯片温度高于试验箱环境温度≤10℃或受试器件(DUT)的热耗散<200 mW且不知道芯片的温度时,持续偏置比循环偏置严酷。如果受试器件(DUT) 的热耗散超过200 mW ,应计算芯片的温度。如果芯片温度超过试验箱环境温度5℃或5℃以上,应把芯片温度与试验环境温度的差值记录在试验结果中，加速的失效机理将受到影响;
2)循环偏置
试验时施加在器件上的直流电压按照适当的频率和占空比周期性的中断。如果偏置条件导致芯片温度高于试验箱温度,其差值△Tja超过10℃,且对特定的器件类型为最佳的偏置条件时,循环偏置将比持续偏置严酷。功率耗散产生的热量驱散了芯片表面和周围与失效机理有关系的湿气。在关断期间，器件没有功率耗散时湿气汇集于芯片。对大部分塑封微电路,受试器件(DUT)最好采用50%的占空比进行循环偏置。对于封装厚度≥2mm的器件其循环施加电压时间应≤2h,封装厚度<2mm的器件其循环施加电压时间应≤30 min。基于已知热阻和耗散计算出的芯片温度超过HAST试验箱环境温度5℃或5℃以上时,芯片温度应记录在试验结果中。
4.3选择和记录
选择持续偏置或循环偏置的标准和是否记录芯片温度超过试验箱环境温度的差值按表2中的规定。

5、程序
受试器件应以一定的方式安装、暴露在规定的温湿度环境中,并施加规定的偏置电压。器件应避免.暴露于过热、干燥或导致器件和电夹具上产生冷凝水的环境中,尤其在试验应力上升和下降过程中。
5.1上升
达到稳定的温度和相对湿度环境的时间应少于3h。通过保证在整个试验时间内试验箱的干球温度超过湿球温度来避免产生冷凝,并且上升的速率不能太快以确保受试器件(DUT)的温度不低于湿球温度。在干燥的实验室,试验箱的初始环境比较干燥,应保持干球和湿球温度,使加热开始后相对湿度不低于50%。
5.2 下降
第一阶段下降到比较小的正表压(湿球温度大约104℃),为避免试验样品快速减压,这段时间应足.够长,但不能超过3 h。第二阶段湿球温度从 104℃到室温,可通过试验箱的通风口来实现。此阶段不限制时间,并且允许使用冷却压力容器。在下降的两个阶段,都应通过保证在整个试验时间内试验箱干球温度超过湿球温度来避免在器件上产生冷凝水，下降过程应保持封装芯片的模塑材料的潮气含量。
而且第一阶段的相对湿度应不低于50%(见5.1)。
5.3试验计时
试验计时从温度和相对湿度达到规定条件开始到下降开始时结束。
5.4 偏置
在上升和下降阶段可选择是否施加偏置。器件加载后应在试验计时开始前验证偏置,在试验计时结束后且在器件移出试验箱之前也要验证偏置。
5.5测试
下降阶段结束后48h内进行电测试。
注:对于中间测量,在下降阶段结束后96 h内器件恢复应力。器件从HAST试验箱移出后,可以通过把器件放入密封的潮湿袋(无干燥剂)中来减小器件的潮气释放速率。当器件放入密封袋时，测试时间计时以器件暴露于试验室环境中潮气释放速率的1/3来计算。这样通过把器件装人潮气密封袋中测试时间可延长到144h,压力恢复时间也延长到288 h。
5.6处理
器件、安装板和设备应使用适当的保护处理,在强加速潮湿试验过程中,污染控制是很重要的。
6、失效判据
在强加速稳态湿热试验后,如果器件参数超过极限值,或按适用的采购文件和数据表中规定的正常和极限环境中不能验证其功能时,器件视为失效。
7、安全性
应当遵守设备厂商的建议和地方安全规章制度。
8、说明
有关的采购文件中应规定如下的内容:
a)试验持续时间(见 4.1);
b) 温度(见4. 1);
c) 试验后测量(见5.5);
d) 偏置条件(见4.2);
e)在试验期间 如果芯片温度高于试验箱环境温度5 ℃以上时芯片的温度(见4.2);
f) 如果使用循环偏置,则规定偏置的频率和占空比(见4.2)。