本文將介紹半導體的可靠性測試及標準。除了詳細介紹如何評估和制定相關標準以外，還將介紹針對半導體封裝預期壽命、半導體封裝在不同外部環境中的可靠性，及機械可靠性等評估方法。

什么是產品可靠性？

半導體產品的質量取決于其是否可以充分滿足指定的標準及特性；而半導體產品的可靠性，是指在一定時間內無故障運行，從而提高客戶滿意度和復購率的能力。以此為前提，失效是指在產品使用過程中發生的故障，而缺陷是指在產品制造或檢驗過程中發生的錯誤。因此，產品缺陷屬于質量問題，而產品在保修期內頻繁出現故障則屬于可靠性問題。

▲ 圖1：質量與可靠性的區別（? HANOL出版社）

圖1列舉了質量及可靠性在含義和特性方面的區別。具體來講，可靠性是指系統、零件或材料在特定的時間、距離或使用頻次下，保持初始質量和性能的能力。要滿足這一點，就必須要求產品在指定條件下，如規定使用方式或特定的環境因素中保持無故障運行狀態。因此，半導體企業在產品量產前，必須先評估產品的質量和可靠性是否達到行業標準。此外，在產品量產期間，企業也應定期檢查產品的質量和可靠性。

評估產品可靠性最為重要的一步，是事先明確可靠性評估標準。舉例來說，如果一家企業準備出貨100件產品，那么該企業則需要考慮以下問題：這些產品中有多少件在三年后依然可以正常使用？產品使用期間的運行模式？能否保證90%的產品在五年后仍可正常使用？95%的產品可以正常使用多長時間？

驗證這些標準需進行測試。理想情況下，產品需接受三年期、五年期甚至更長期限的測試，以確保其在不同時間范圍內的可靠性。但如果將大量時間花費在產品評估上，會使產品量產時間大幅度推遲。因此，企業通常會采用加速測試和統計技術來評估可靠性，此外，還可以通過可靠性函數、產品壽命分布、及平均壽命等計算方式，在較短時間內完成可靠性驗證。

國際半導體標準化組織（JEDEC）標準

半導體設計和制造企業可以自行評估旗下產品的可靠性，并將評估結果提供給客戶，客戶可根據評估結果來判定產品是否滿足其需求，或自行開展可靠性評估測試。但如果半導體企業和客戶采用的評估標準存在差異，那么雙方就不得不對標準進行統一，而這是一項非常耗時的工作。作為解決方案，半導體企業通常會采納“國際半導體標準化組織旗下固態技術協會1”（簡稱JEDEC）規定的標準，來同時滿足企業及客戶的需求。

1JEDEC旗下固態技術協會（JEDEC Solid State Technology Association）：為微電子行業制定統一標準和出版物的領導機構。

JEDEC的主要職責是幫助制造商和相關組織，共同審查和制定如集成電路（Integrated Circuit）等電子設備的統一標準。隨著其所制定的標準被廣泛視為國際標準，JEDEC已成為實際意義上的全球半導體行業標準制定機構。

該組織董事會（Board of Directors, BoD）負責決定政策和程序，并擁有JEDEC標準的最終審批權。此外，JEDEC下設眾多委員會（JEDEC Committee, JC），為各自擅長的專業領域制定標準。其中，部分重要的服務半導體行業的委員會及其職責為：JC-14固態產品質量與可靠性委員會，負責為固態產品制定相關標準；JC-11機械標準化委員會，負責制定模塊及半導體封裝外觀標準；JC-42固態存儲器委員會，負責制定DRAM標準；JC-63多芯片封裝委員會，負責制定移動多芯片封裝標準。

如果某企業想要為旗下產品制定標準，首先可以提交標準提案，由相應的委員會成員進行投票表決。無論規模大小，每家企業均有一票投票權。委員會投票通過后，標準提案還需經由董事會投票再次表決，兩輪投票通過后，提案將被確立為JEDEC標準，并向各行業公示。

評估產品壽命的可靠性測試

除國際評估標準外，還有許多用于評估產品可靠性的指標，包括評估半導體產品壽命的指標。

早期失效率

早期失效率（Early Failure Rate, EFR）用于估算產品在用戶使用環境下，一年內發生的設備故障次數。對于某些產品而言，由于系統壽命不同，或要求更高標準的產品可靠性，這一期限可短至六個月或延長至一年以上。如圖2所示，老化測試（Burn-in）2用于篩查可能在短期內失效的產品，而早期失效率用于驗證篩查后產品的潛在失效率是否保持在可接受的水平。測試條件根據相關半導體產品的溫度及電壓加速因子進行設定和評估。

2老化測試（Burn-in）：是指對產品施加電壓和溫度應力，以便在早期階段消除產品潛在缺陷的測試。封裝后執行的老化測試被稱為“老化中測試（TBDI）”。

▲ 圖2：浴盆曲線中的早期失效率（EFR）區，及產品失效率隨時間發生變化的三個階段

（? HANOL出版社）

高低溫工作壽命測試

高溫工作壽命（High Temperature Operating Life Test, HTOL）測試是最常見的產品壽命評估類型之一，旨在評估產品在使用期間由溫度和電壓應力引起的問題。高溫工作壽命測試是相對全面的測試方式，它不僅可以評估早期失效，同時可以識別由事故或損耗造成的失效問題。同樣，低溫工作壽命（Low Temperature Operating Life Test, LTOL）測試可用于評估因受到熱載流子（Hot Carrier）3影響而發生失效的概率，但由于施加了電壓和溫度，也存在導致產品失效的其它情況發生。

3熱載流子（Hot Carrier）：晶體管尺寸縮小并導致通道變短后，電場會被增強。熱載流子是在此現象發生后，所產生的極度活躍的移動電子。一般來說，這種短通道效應發生在半導體晶體管中。

高溫存儲壽命測試

高溫存儲壽命（High Temperature Storage Life, HTSL）測試用于評估產品在高溫儲存條件下的可靠性。受擴散、氧化、金屬間化合物形成、及封裝材料化學降解等因素影響，高溫儲存條件可能會對產品壽命產生影響。

耐久性和數據保留性能測試

耐久性測試用于評估NAND閃存等產品可以承受的編程/擦除（Program/Erase, P/E）周期的次數。對于NAND產品而言，一個關鍵的可靠性評估指標是數據保留能力。該指標衡量的是，在無電源供應情況下的一定時間內，數據在存儲單元中可保留的時長。