半导体可靠性检测发展概况
思瀚产业研究院 中安电子    2025-02-13

①半导体检测

半导体检测是半导体生产制造过程中不可或缺的环节，其贯穿于半导体制造的全流程。半导体生产的各个环节包括设计、制造、封装中人为或非人为因素均有可能导致产品失效。其中设计错误，原材料纯度缺陷、外在环境污染、设备误操作等都可能导致最终产品失效。有效的半导体检测是确保产品质量和生产成本控制的重要保障，能够在各环节及时发现问题。

以集成电路测试为例，集成电路整个生命周期所经历的测试主要有设计验证测试、工艺监控测试、晶圆测试（中测）、成品测试（成测）、可靠性保证测试、用户测试。其中设计验证测试在产品量产前进行，成品测试在封装后进行，所有测试目的是提高产品良率，降低生产成本。

随着技术发展，半导体产品复杂度及集成度越来越高。目前主流半导体工艺制程已从 28nm、14nm、10nm、7nm 向 5nm 发展，部分先进半导体制造厂商正在开发3nm 工艺。随着制程工艺的升级，工艺步骤显著增加，而芯片的最终良率主要由每一步工艺的良率的乘积组成，因此制程升级会带来累积良率的下降。

因此，技术越高，制程越小，对制造过程中良率的要求就越高。此外制程工艺的升级也会带来成本的增加。电子系统故障检测存在“十倍法则”,即如果一颗芯片中的故障没有在芯片测试时发现，那么在电路板（PCB）级发现故障的成本是芯片级的十倍。因此有效的检测手段可以帮助厂商及时发现半导体制造过程中的问题，严格控制产品良率。

②半导体可靠性测试

A．可靠性测试概念

GJB9001C 质量管理体系要求对通用质量特性提出了明确的要求，通用质量特性包括了可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性、环境适应性这六个方面，简称“六性”。其中，可靠性指的是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。半导体可靠性包括固有可靠性和使用可靠性，使用可靠性通常是指封装组件在特定使用环境和一定时间内的运行稳定、不出现失效或故障的概率，直接关系到半导体器件的使用寿命和维修率。

半导体可靠性测试是指通过设定特定的环境条件如高温、高湿、高压等，来评估极端条件对半导体器件可靠性的影响。可靠性测试是确保半导体器件在实际应用环境中能够稳定运行和长期可靠的关键步骤。

浴盆曲线是工业界广泛应用的对大多数电子产品适用的故障率随时间变化曲线。不合格的产品大部分在投入使用后很快就会失效，这就是产品的早期失效期。早期失效的原因大多数是因为产品本身存在缺陷。随后产品进入在偶然失效区（使用寿命区）内，失效率可以在较长一段时间区间内保持恒定且较低的失效率。绝大多数进入使用寿命区的产品可以达到预期的使用寿命后开始损耗失效，偶然失效区是产品的理想使用阶段。

过渡到耗损区，产品失效率随时间的增长而迅速上升。在一批产品中，部分产品存在缺陷是难以避免的，因此我们可以采取非破坏性的筛选试验，施加适当的应力，激发潜在缺陷，提前暴露问题，从而发现具有潜在缺陷的早期失效产品，使其在浴盆曲线的早期失效阶段得以剔除，从而确保最终交付给客户的产品可靠性，降低售后维修成本。

B．可靠性测试方法

根据半导体生产环节，半导体测试可分为前道量检测、后道测试以及实验室检测。其中前道量检测以厂内产线在线监控为主，应用于加工中的晶圆，能够有效控制生产工艺缺陷，避免不合格的晶圆进入下一道生产工序。后道检测的检测项目为晶圆测试（CP）、成品测试（FT）等，分别用于芯片封装前的电性测试和封装后的功能性测试。

实验室检测的失效分析、材料分析以及可靠性分析检测对象包括产业链任一环节的样品，其以厂内自建实验室与第三方实验室检测为主。半导体产品在正常使用过程中会受到环境因素影响如恶劣环境下的紫外辐射、极端温度变化、湿度变化、剧烈震动等，这些因素可能会影响半导体产品使用过程中的稳定性和可靠性。

同时老化因素也会导致半导体产品的性能衰退和可靠性下降。我们可以通过可靠性测试来确保产品在实际应用中保持长期可靠和稳定运行。可靠性测试的目的是验证产品在规定使用条件下在规定时间内保持性能稳定可靠的概率，通过对产品施加环境应力和工作载荷，暴露产品缺陷，筛选早期失效产品，提高产品的整体可靠性水平。可靠性测试主要分为环境测试、老化测试和寿命测试：

（A）环境测试

半导体产品从生产、运输、到最终投入使用，这个过程中会受到各种环境应力的影响，环境应力对于产品可靠性的影响极其明显。国际电工委员会（IEC）TC75环境条件分类委员会于 1981 年颁布了环境参数分级标准，该标准将影响设备的环境因素划分为四类。

环境测试主要是通过模拟产品在其有效使用寿命中可能涉及的不同环境因素，如高温、低温、湿度、盐雾、辐射、振动、冲击等，检测其性能、功能、结构是否发生变化，以验证产品在不同环境下的稳定性和可靠性，在此过程中暴露产品的不足和缺陷。

（B）老化测试

老化测试是可靠性试验中的重要步骤，其主要原理是通过施加环境应力将有缺陷的、可能发生早期失效的产品在产品投入使用前筛选出来，降低维修售后寻障成本，提高产品整体可靠性。根据浴盆曲线，半导体产品的失效率随时间呈现“两端高中间低”的规律，因此在第一阶段，老化测试通常通过施加恶劣环境应力促使产品加速老化，在外界应力长时间作用下会极大缩短早期失效区的时间，使产品进入可靠使用周期，并将存在早期缺陷的产品筛选出来，以此来确保交付给用户的产品在使用时能够长期保持稳定可靠。因此，理想的筛选状态是在早期失效区和偶然失效区的交界处，此时既能保证对缺陷产品进行筛选剔除，又能不影响产品性能和不损耗产品在可靠使用区间的寿命。

在实际应用中，为了保障产品在长期使用过程中的可靠性，都会进行多次不同应力下的老化测试，避免产品处于欠筛选的状态。老化测试中的外界应力包括但不限于温度、电压、静电、湿度等，一般釆取多应力复合的方式．其中电应力和热应力是在对半导体器件老化测试时影响较为显著的应力因素。通过老化筛选，半导体器件的质量得以保证，这在军工、化合物半导体领域

尤为重要，大部分芯片均需要一一进行老化后确保可靠性，老化筛选对于电子设备整机的质量的提高以及整体故障的减少有非常重要的作用。

（C）寿命试验

GJB 450B-2021《装备可靠性工作通用要求》将可靠性参数分为四类，其中的耐久性参数是指产品在规定条件下能够完成规定功能的能力，通常采用寿命进行度量，如使用寿命、贮存寿命等。寿命试验是研究产品寿命特征的方法，作为可靠性试验的重要内容，其目的是验证产品在规定使用条件的使用或储存寿命是否达到要求。

对于日常频繁使用的产品，如手机、电脑、汽车等，使用者关心其在正常应力条件下的工作寿命。对于日常使用频率低的产品，使用者关心其在正常贮存环境下的寿命。正常应力下的工作寿命试验和贮存寿命试验能够通过施加技术标准中规定的额定负荷，模拟产品实际工作和贮存环境，从而验证产品的使用寿命和贮存寿命。在实际工作中，正常应力下的寿命试验往往需要耗费很长时间，并且对于高可靠性产品而言，其寿命试验时间很长，例如车规级功率半导体设计寿命一般为 15年。

部分军工武器装备、半导体产品试验时间紧，过长的验证周期将影响产品的研发和量产进度。为便于快速评价产品的寿命和可靠性，缩短寿命试验周期，在不改变失效机理的前提下可以通过设置高于样品设计运行限度的环境应力（热应力、电应力、机械应力等）来缩短故障暴露所需的时间，运用加速寿命模型推算评估产品在正常使用条件下的可靠性和寿命特征。按照试验应力的加载方式，加速寿命试验通常可以分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验。

其中目前应用最广的加速寿命试验是恒定应力试验，其特点是对产品施加的应力水平保持不变，其水平高于产品在正常条件下所接受的应力水平。恒定应力试验是将一定数量的产品分成若干个组后同时进行，每一组固定施加高于额定值的固定不同的应力条件，在达到规定失效数或规定失效时间后停止。

根据国标 GB/T2689.1-1981《恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则》，恒定应力加速试验寿命时应力水平应不少于 4 个，最高应力和最低应力之间应有较大的间隔，最低应力水平的数值应接近或等于产品技术标准中规定的额定值。

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