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THB (Temperature, Humidity, Bias Test)는 금속 부식 특히, die metallization에서 발생하는 부식을 가속하기 위한 시험 입니다. 불순물이 존재하는 상태에서 온도와 습도만으로도 충분히 금속 부식을 촉진할 수 있지만, 전위차에 의한 부식을 유도하기 위해서 bias를 적용합니다. THB의 불량메커니즘은 크게 3가지 부식 (Galvanic, Electrochemical, direct Chemical 부식)과 ion migration 으로 분류합니다.

표면실장형 (SMD) 제품은 THB를 하기 전에 precondition 과정을 거친 후, bias (Vcc max)를 인가하고, 온도 85 °C, 상대습도 85 % 조건으로 1000 시간 시험합니다. 실제 사용자환경에서의 수명을 모사할 수 있도록 bias를 인가하고, 서로 다른 metallization 간에 최대한 큰 전위차를 형성할 수 있도록 구성합니다. 시험을 진행하는 동안 원하는 시점에 중간측정을 실시해서 (intermediate readout) 이상유무를 확인합니다.

THB 불량 메커니즘 이미지
THB 불량 메커니즘

Summary of THB conditions

Temperature (dry bulb °C) Relative Humidity1 (% R.H) Temperature (wet bulb, °C) Vapor Pressure (psia/kPa) Duration (hours)
85 ± 2 85 ± 5 81.0 7.12 (49.1) 1000

Reference Documents

  • JESD22-A101 “Steady State Temperature Humidity Bias Life Test”
THB chamber
THB chamber

TC (Temperature Cycle)는 1) 제품이 고온과 저온조건을 견딜 수 있는지, 그리고 2) 고온과 저온에 반복적으로 노출 시켰을 때 어떤 영향을 받는지 평가하는 시험입니다.

반복적인 thermomechanical 부하를 원인으로 발생하는 불량은 피로불량 (fatigue failure)에 속하며, TC는 이런 피로불량을 가속하는 시험입니다. Thermal Shock 시험도 TC와 마찬가지로 피로불량가속 시험입니다. 시험절차는, 시료를 TC용 chamber에 장착하고 규정된 수준의 고온과 저온에 반복해서 노출시키는 과정으로 이루어집니다.

마지막 cycle이 완료되면 10~20 X 배율로 외관, lead, seal 등을 관찰하고, 최대 3 X 이내 배율로 marking 상태를 확인합니다.
외관, lead, seal 등이 손상되었거나 mark를 구분하기 어렵다면 불량으로 판정합니다.
외관검사 외, 제품 Spec에 따라 electrical test를 진행해서 TC로 가속된 불량이 있는지 검사해야 합니다.

◎ Thermal shock 또는 Temperature cycle의 Stress 요소
고온과 저온의 차(ΔT)
고온과 저온을 이동하는 시간
고온과 저온에서 노출되는 시간

TC 불량 메커니즘: die cracking, package cracking, neck/heel/wire breaks, and bond lifting 등.

Summary of TC conditions

TC-JEDEC
Test Condition Nominal Ts(min)(°C) Nominal Ts(max)(°C)
A -55 +85
B -55 +125
C -65 +150
G -40 +125
H -55 +150
I -40 +125
J -0 +100
K -0 +1215
L -55 +110
M -40 +150
N -40 +85
R -25 +125
T -40 +100
  • See reference documents for how to set the conditions
TS-Mil-Std-883
Condition Temperature (°C)
Low High
A -55 (-10/+0) +85 (-0,+15)
B -55 (-10/+0) +125 (-0,+15)
C -65 (-10/+0) +150 (-0/+15)
D -65 (-10/+0) +200 (-0/+15)
E -65 (-10/+0) +300 (-0/+15)
F -65 (-10/+0) +175 (-0/+15)

Reference Documents

  • Mil-Std-883 Method 1010 “Temperature Cycling”
  • JESD22-A104 “Temperature Cycling”
두 개 챔버타입과 공기순환 타입 장비
두 개 챔버타입과 공기순환 타입 장비
SJR T/C
SJR T/C
PTC (Power and Temperature Cycle)는 특정 온도를 거치면서 on, off 동작을 해야 하는 반도체 device에 적용합니다.
전원, 온도사이클 시험은 device를 저온과 고온에 반복적으로 노출하는 동시에, bias를 주기적으로 주거나 제거하는 방식으로 진행하여 그 내성을 평가하는 것이 목적입니다. 이런 시험방식은 정상적인 사용범주에서 device가 겪게 되는 worstcase 환경을 시뮬레이션하는 것으로, 파괴시험에 속합니다. 시험 동안, device에 인가되는 power를 5분 on하고, 5분 off하는 사이클을 반복하고, 규정된 횟수로 bias를 사이클링하면서 동시에 온도사이클을 함께 진행합니다.
최저 또는 최고 온도에서 머무는 시간은, 시료 전체의 질량이 규정된 온도에 도달할 수 있도록 충분히 길어야 합니다 (여기서 시료의 온도는 bias를 인가하지 않은 상태에서 도달하는 온도)

Summary of PTC conditions

Test Condition Temperature Extremes
Degrees C.
Transition Time Between
Temp Extreme, Max.
Dwell Time at Each
Temp Extreme, Min.
A -40 (+0, -10) to +85 (+10,-0) 20 minutes 10 minutes
B -40 (+0, -10) to + 125 (+10, -0) 30 minutes 10 minutes
Summary of PTC conditions
온도사이클과 전압사이클의 주기를 서로 동기화시킬 필요 없음

Reference Documents

  • JESD22-A105 “Power and Temperature Cycling”

Thermal Shock은 제품이 갑작스런 온도변화에 어떤 영향을 받는지 평가하는 시험입니다. 시험은 실온에서 시작하여 규정된 횟수의 cycle을 반복하는데, 아주 낮은 온도(또는 고온)와 아주 높은 온도 (또는 저온)에서 비교적 짧은시간 노출되었다가 실온으로 돌아옵니다. 최종 cycle을 마치면, case와 lead/terminal 등을 대상으로 외관검사를 실시하거나 (검사배율 10~20X) 최대 3배 확대한 상태로 marking의 정상 유무를 확인하는 것이 좋습니다. Mark 확인이 어렵거나 case, lead 등에 손상이 발견되면 failure로 판정합니다.

TS 시험과 관련된 불량 메커니즘은 die cracking, package cracking, neck/heel/wire breaks, and bond lifting 등이 있습니다.
새로 개발한 제품의 경우 1000 cycle 정도 시험하는 것이 일반적이며 electrical test 및 200~500 X 외관검사로 불량을 판정하게 됩니다.

◎ Thermal shock 또는 Temperature cycle의 Stress 요소
고온과 저온의 차(ΔT)
고온과 저온을 이동하는 시간
고온과 저온에서 노출되는 시간

Summary of TS conditions

TS-JEDEC
Condition Temperature (°C)
Low High
A -40 (-10/+0) 85 (-0/+10)
B 0 (-10/+0) 100 (-0/+10)
C -55 (-10/+0) 125 (-0/+10)
D -65 (-10/+0) 150 (-0/+10)
  • Total Transfer Time < 20 seconds
  • Total Dwell Time Shall not be less than the time required samples to reach specified temperature
  • Specified Temp reached within dwell time
TS-Mil-Std-883
Condition Temperature (°C)
Low High
A 0 (-10/+2) 100 (-2/+10)
B -55 (-10/+0) 125 (-0/+10)
C -60 (-10/+0) 150 (-0/+10)
  • Total Transfer Time < 10 seconds
  • Total Dwell Time > 2 minutes
  • Specified Temp reached in < 5 minutes
  • Must be conducted for a minimum of 15 cycles

Reference Documents

  • Mil-Std-883 Method 1011 “Thermal Shock”
  • JESD22-A106 “Thermal Shock”
열충격시험 장비
열충격시험 장비
Autoclave 시험 또는 Pressure Cooker Test (PCT)라고 부르며, 고온 고습환경을 제품이 견딜 수 있는지 평가하는 시험 입니다. 특히 제품 die metallization과 같은 내부 금속 부식을 가속하는 목적으로 사용합니다. 샘플은 온도121 °C와 상대습도 100 %, 기압 2 atm 상태로 168 시간 시험합니다. 표면실장형(SMD) 제품은 autoclave 시험 전 precondition 하는데, precondition이란 제품을 board에 실장하는 공정을 모사하는 것입니다. Precondition은 시료를 건조하기 위한 bake 과정, 규정된 수준으로 수분을 유입시키는 soak 과정, Reflow 3 cycle 과정으로 구성됩니다. Precondition 후 특성시험을 하고, 이때 발견된 불량은 autoclave failure가 아닌 precondition failure로 판정합니다. Precondition불량은, 제품이 실장공정에서 발생하는 고온을 견디지 못한다는 의미이기 때문에 심각한 문제로 분류합니다. Autoclave 시험을 진행하는 동안 습도가 최고치에 달하기 때문에 electrical leakage가 발생할 수 있지만 이런 현상을 불량이라고 따로 규정해놓지 않은 상태에서는 불량개수에 포함(count)시키지 않습니다. 부식이나 기타 영구적인 손상만 PCT 불량이라고 정의합니다.

Summary of PCT conditions

Temperature (dry bulb °C) Relative Humidity (% R.H) Duration (hours)
121 ± 2 100 96 (-0, +2)

Reference Documents

  • JESD22-A102 “Accelerated Moisture Resistance - Unbiased Autoclave”
TPCT 장비
TPCT 장비

HAST (Highly Accelerated Stress Test ) 는 Temperature Humidity Bias (THB) Test의 긴 시험시간을 보완하기 위해서 개발된 시험입니다. THB 시험시간이 1000 시간인 반면, HAST는 96~264 시간 내에 결과를 얻을 수 있습니다. 이런 이유 때문에 최근에 HAST가 널리 이용되고 있습니다.THB와 마찬가지로 HAST 역시 die의 metal line과 thin film resistor 부식을 가속합니다. HAST 전에 Precondition을 하고 bias를 인가한 상태에서 온도130 °C, 상대습도 85 %로 96~264 시간 시험합니다.

시료는 chamber에 넣기 전에 HAST 전용 board에 loading 해서 시험하는데, 시험에 사용되는 board는 HAST 조건을 충분히 견디도록 설계되었습니다. (그림참고)
특정 공정에 변동이 생겼다면 부식내성(corrosion resistance)에 영향을 줄 수 있으므로 HAST 시험을 권장합니다. 즉, 새로운 fab process, package, site 이동 뿐 아니라 molding compound, die glassivation, metallization, thin film resistor 등에 변화가 발생한 경우에도 HAST 인증을 요구하게 됩니다.

◎ Bias 조건 설정
Power dissipation을 최소화 시켜서, Die 표면에 수분이 머물 수 있도록 해야 합니다.
교차되는 핀들은 가능하면 서로 반대되는 bias (low voltage와 high voltage)를 인가합니다.
Power dissipation을 통제할 수 있는 범위내에서 Operating Voltage 수준을 최대화 합니다.

Summary of HAST conditions

Temperature
(dry bulb °C)
Relative
Humidity (% R.H)
Temperature
(wet bulb, °C)
Vapor Pressure
(psia/kPa)
Duration
(hours)
A 130 ± 2 85 ± 5 124.7 33.3/230 96 (-0, +2)
B 110 ± 2 85 ± 5 105.2 17.7/122 264 (-0, +2)

Reference Documents

  • JESD22-A110 “Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test (HAST)
HAST 챔버와 보드장착 모습
HAST 챔버와 보드장착 모습
HTS (High Temperature Storage Test)는 제품을 장시간 고온에 보관하는 동안, 어떤 영향을 받는지 평가하는 시험입니다.
Electrical stress를 적용하지 않으며, Stabilization Bake (Mil-Std-883 Method 1008) 시험과 유사하지만 HTS 시험이 훨씬 많은 시간을 소요합니다 (Stabilization Bake:24 h @ 150 °C). 또한 Stabilization Bake는 screen 역할이나 다른 시험의 precondition으로 사용하는 반면, HTS는 제품의 long-term reliability (장시간에 대한 신뢰성)를 평가하는 것이 목적입니다.
HTS는 시료를 규정된 온도에서 규정된 시간 동안 노출하는 과정으로 이루어 집니다. 시험 전에 시료의 온도가 규정된 온도에 도달해야 하며, 시험이 끝난 후 96시간 내에 test (외관검사 및 electrical test)를 해야 합니다. HTS는 electrical stress를 적용하지 않기 때문에 burn-in 시험을 대체할 수는 없지만, 온도라는 단일 조건으로 불량메커니즘 (예: oxidation, bond and lead finish intermetallic growths )을 가속한다는 면에서 효과적인 시험입니다.
기본적으로 150 °C/1000 h 조건을 기준으로 하고, 온도와 시간조건을 변경하여 다양한 목적에 맞게 시험할 수 있습니다.
Low Temperature Storage (LTS)시험 역시 동일한 목적의 시험이며 다만, 저온조건을 사용하는 점이 다릅니다.
위 시험을 보관(storage)시험 목적 외에, data retention 이나 기타 신뢰성 시험과 연계하여 단일 test sequence로 구성도 가능합니다.

Summary of HTS conditions

HTS
Condition Temperature (°C)
A +125 (-0/+10)
B +150 (-0/+10)
C +175 (-0/+10)
D +200 (-0/+10)
E +250 (-0/+10)
F +300 (-0/+10)
G +85 (-0/+10)
LTS
Condition Temperature (°C)
A -40 (-10/+0)
B -55 (-10/+0)
C -65 (-10/+0)

Reference Documents

  • Mil Std 883, Method 1008 “Stabilization Bake”
  • JESD22-A103 “High Temperature Storage Life”
  • JESD22-A119 “Low Temperature Storage Life”
  • EIAJ ED-4701/200 test method 202 “Low Temperature Storage”
시험 챔버와 시료 로딩모습
시험 챔버와 시료 로딩모습
Package 형태가 서로 다르면 수분 침투 및 침투한 수분의 영향 등이 서로 다른 특성을 보입니다. Through-hole 형태의 두꺼운 package는 얇은 SMD package 보다 단위부피당 수분 흡수가 천천히 이루어지는 경향이 있습니다. Package로 수분이 침투하고 머물면서 발생하는 문제가 있는데, 갑자기 고온(예:실장공정)에 노출되면서 수증기가 되고 package 내부에 큰 stress를 주는 현상입니다. 수분 때문에 발생하는 package crack을 popcorn cracking이라고 부릅니다.
일반적으로 표면실장형 제품 (SMD)는 다음과 같은 요소로 더욱 popcorn cracking 확률 높게 나타납니다.
  • SMD 제품은 얇기 때문에 보다 작은 힘으로도 분열이 발생
  • 보다 쉽게 수분을 흡수하고 수분을 유지함
  • SMD board mounting 작업에서 molding compound가 고온에 노출
일정시간 대기에 노출된 device, 수분 흡수발생→Package 내부로 침투한 수분이 기화하면서, (약 1200배 이상 팽창)Popcorn 현상 발생
다양한 package 형태에 따라 popcorn cracking의 발생정도가 달라지기 때문에, IPC/JEDEC에서 수분민감도 (Moisture sensitivity Level)를 구분할 수 있는 표준을 수립했습니다. MSL은 숫자로 표기하는데, 숫자가 클수록 popcorn cracking 발생확률이 높다는 의미입니다. 예를 들어, MSL 1은 습기에 노출되는 시간과 관계없이 popcorn cracking에 대한 내성이 강하다는 뜻이고 MSL 5나 6은 수분과 관련된 분열발생 확률이 가장 높음을 나타냅니다.

Summary of MSL

Level FLOOR LIFE SOAK REQUIREMENTS
STANDARD
TIME CONDITION TIME (hours) CONDITION
1 Unlimited ≤30 °C / 85 % R.H 168 +5 / -0 85 °C / 85 % R.H
2 1 year ≤30 °C / 60 % R.H 168 +5 / -0 85 °C / 60 % R.H
2a 4 weeks ≤30 °C / 60 % R.H 696 +5 / -0 30 °C / 60 % R.H
3 168 hours ≤30 °C / 60 % R.H 192 +5 / -0 30 °C / 60 % R.H
4 72 hours ≤30 °C / 60 % R.H 96 +2 / -0 30 °C / 60 % R.H
5 48 hours ≤30 °C / 60 % R.H 72 +2 / -0 30 °C / 60 % R.H
5a 24 hours ≤30 °C / 60 % R.H 48 +2 / -0 30 °C / 60 % R.H
6 Time on Label ≤30 °C / 60 % R.H TOL 30°C / 60% R.H

Reference Documents

  • JSTD-020 “Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices”

Precondition이란 포괄적인 의미에서 신뢰성 시험 전에 실시하는 특정 stress 및 process를 뜻합니다. 반도체 신뢰성에서 precondition이라고 하면 보통 SMD 제품의 실장공정을 뜻하게 됩니다. 완제품에 실장된 SMD package의 신뢰성을 확인해야 하는데, 제품에서 시료를 떼어낸다는 것이 어렵습니다. (물리적 damage를 피할 수 없습니다.) 따라서 단품상태의 패키지에 PCB 조립(reflow)과정에서 발생한 온도 profile을 인가해서 신뢰성시험 시료를 준비하게 됩니다 (아래 이미지 참고). Moisture Sensitivity Level이 미리 지정되어야 하며, 지정된 Level에 맞춰 precondition을 실시하게 됩니다.

다양한 package 형태에 따라 popcorn cracking의 발생정도가 달라지기 때문에, IPC/JEDEC에서 수분민감도 (Moisture sensitivity Level)를 구분할 수 있는 표준을 수립했습니다. MSL은 숫자로 표기하는데, 숫자가 높을 수록 popcorn cracking 발생확률이 높다는 의미입니다. 예를 들어, MSL 1은 습기에 노출되는 시간과 관계없이 popcorn cracking에 대한 내성이 강하다는 뜻이고 MSL 5나 6는 수분과 관련된 분열발생 확률이 가장 높음을 나타냅니다.

규정된 MSL로 Soak 수준 결정→Reflow 3 cycles→출하제품과 동일한 상태→Temperature Humidity Bias Test/Highly Accelerated Stress Test/Temperature Cycle/Autoclave/Unbiased - HAST

Precondition은 THB, HAST, TC, AC, UHAST 전에 실시합니다.

Reference Documents

  • JESD22-A113 “Preconditioning of Plastic Surface Mount Devices Prior to Reliability Testing”
  • JSTD-020 “Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices”
염수분무시험 (Salt Atmosphere)은 제품과 package에 영향을 주는 해안가 환경을 모사해서, 부식을 가속시키는 시험 입니다. 본 시험은 소금용액을 분무시켜 염수안개를 형성하고 제품을 일정시간 노출시키는 과정으로 구성됩니다. 시험이 완료되면 흐르는 물 (D/I water)에 최소 5분간 씻어낸 후 10~20배 확대해서 pitting, blistering, flaking, corrosion 등을 평가합니다.

Summary of Salt Atmosphere conditions

  • exposure of parts to salt fog
  • salt : sodium chloride meeting impurity level reqts.
  • salt concentration: 0.5 % - 3 % by wt. in DI/distilled water
  • salt fog temperature : 35 deg C minimum
  • exposure zone maintained between 32 - 38 deg C
  • pH : 6.5 - 7.2 at 35 deg C
Test Condition Duration (hours)
A 24
B 148
C 96
D 240

Reference Documents

  • Mil-Std-883 Method 1009 “Salt Atmosphere (corrosion)”
  • JESD22-A107 “Salt Atmosphere”
염수분무 시험장비
염수분무 시험장비
HALT (Highly Accelerated Life Test)는 기존 신뢰성 시험과 다른 새로운 개념의 설계검증 시험입니다.
제품의 설계단계에서 실시하여 취약부분을 찾는 동시에 개선방법을 적용해 시장에서의 return 율을 낮추는 것이 목적입니다. Field 환경을 모사하는 개념이 아니며, 취약부분을 최대한 빨리 발견하고 가속할 수 있도록 저온/고온조건과 랜덤진동을 사용해서 weak point 불량을 가속합니다.
본 시험은 설계자의 참여로 중요 parameter를 선정하고 시험 sequence에 따라 특성을 모니터링하는 과정으로 이루어집니다.
불량이 발생하면 불량 포인트를 찾아내고 개선점을 찾음으로써 제품 margin을 확보합니다. 무엇보다도 설계자와 시험자간의 협의로 Test Plan을 설계하고 정확한 시험(목적하는 특성값을 변동시킬 수 있는)을 하며, 문제점 발생시 원인 분석을 할 수 있어야 합니다. 큐알티는 25년간 축적된 신뢰성기술 및 노하우를 바탕으로 HALT 시험 목적에 최적화된 시험을 서비스하고 있습니다.

Summary of HALT

  • Thermal Step Stress Test - cold
  • Thermal Step Stress Test - Hot
  • Rapid Thermal Transient Stress Test
  • Vibration Step Stress Test
  • Combined Environment Stress Test
Rapid Thermal Transitions

Reference Documents

  • Mil-Std883 Method 2005 “Vibration Fatigue”
  • JESD22-B103B “Vibration, Variable Frequency”
HALT 장비와 챔버와 실제 시험모습
HALT 장비와 챔버와 실제 시험모습