半导体器件的加速寿命试验评价方法-cn
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2、 定义、概要及基本事项 按《JIS Z 8115 可靠性用语》所述，所谓加速试验是
“以缩短试验时间为目的，以比标准更严酷的条件进行的 试验”。一般来讲比标准条件越严酷时间越能缩短，但能 够耐此试验的产品就证明优良还为时过早。事实上在最严 酷的条件下通过的产品，在同样时间以最宽松条件试验也 经常发生故障。
1、 前言 单单说可靠性试验其内容也是千差万别的，通常从可
靠性技术的观点来说，是以产品从工厂出厂后，在市场上 保管或使用与周围“环境”息息相关的产品的性能如何保 证为其目的。一般来说容易将“可靠性试验”等同于“环 境试验”，实际上环境试验也是各式各样，不能这么简单 地划等号。实际上环境试验也并非单纯等同“加速试验”。 这里从可靠性工学的角度来解析加速试验，而不在品质管 理上触及，慎重起见特此告知。
将数据代入关系式后可以得出表 2 的加速系数。 Ea(eV) 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5
110 3.56 5.43 8.29 12.7 23.9 ℃ HAST 120 5.65 10.1 17.9 31.9 75.8 ℃ 130 8.77 18.1 37.3 76.8 228 ℃ 140 13.3 31.6 74.8 177 647 ℃
半导体器件的加速寿命试验评价方法
山本 敏男
持续努力提高元器件及材料可靠性的结果，诞生了许多的 高可靠性产品。由此减少了故障发生的机会，而具体作可 靠性评价试验则需要很长时间。人们希望作在更短时间获 得有效结果的评价试验，即加速试验。但是所谓加速试验 并非单纯加强应力缩短时间即可，同时它也不是全能的试 验。理解了这一点，有效利用这种手法与否，其可靠性评 价的结果会有天壤之别。 在此以电气、电子设备及部件为例，就有关加速试验的概 要及思路加以说明。
K = A × exp (–Ea / RT ) A = 加速系数 Ea = 激活能，特定失效机理的典型值或根据经验数据 推导而得。表示由外界施加的由正常状态转变为危险状态 能量值。具体讲比如常温下氧元素与氢元素不发生任何反 应，这时如果外部加热会发生化学反应，这种可以促使发
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的失效率方法
该模型要求较少的系统信息量，在考虑元
器件质量和碰到的环境条件的情况下，首
先使用各种元器件数。一般来说，该方法
适用于早期设计阶段，以获得系统可靠性
的初始估计值。在该阶段中，详细的电路
设计是未知的。
λequip= ΣNi(λG×λQ)×I （失效件数/106 小时）
λequip：设备失效率
I=n：设备系统的部品组数 Ni：同组部品件数 λG：第 I 号同组部品的失效率 λQ：品质参数
上面我们介绍了通过试验进行可靠性推测一些
方法，其实不进行试验对电子部品失效率采用美国
军用标准手册也可以进行一定科学的推测。美国军
用电子设备及系统的可靠性数据比较准确严格，实
践上非常有参考意义。但是消费电子的推测上要进
行一定的修正因此使用时一定加以注意，这里简单
介绍一下基本的考虑方法。
（1） 根据电子元器件应力预计法进行电子部品
高加速应力试验(HAST)是在湿度环境中评价固 态器件的非气密性封装。这一试验用高温(通常为 130℃)、高相对湿度(约 85%)、高大气压条件(达 2-4atm)来加速潮气通过外部保护材料或芯片引线 周围的密封。这一试验是要加速有关金属化腐蚀、 材料界面处的分层、线焊失效和绝缘电阻下降等的 失效机理。
生失效。因此阿伦纽斯模型由于非常适用于建立半 导体器件失效模型，广泛应用于半导体器件的可靠 性试验及失效分析进行可靠性推测，以评价塑封微 电路和半导体在特定应用中的适用性。
阿伦纽斯模型寿命温度关系广泛用于建立产品 寿命与温度的关系模型。这一关系式用于表示某个 失效机理对温度的敏感度和产品的热加速因数。半 导体器件的激活能与失效机理关系非常明显，请参 见图 3 与图 4。
1、应力－强度模式 从产品所固有的强度与周边应力的关系来说明故障。（以 强度恶化分布与应力分布重叠的部分视为故障发生。）
2、热化学反应模式
3-1 阿伦纽斯模型 热化学反应模型中最早就热效能进行研究的理论为
阿伦纽斯模型（the Arrhenius equation），其关系式为如 下。K 表示反应加速常数，在绝对温度为 273.15+ t℃时 的函数关系为：
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１
而且重要的是事先要明确区别是下列什么目的： ⑴是在与市场相关范围内试验？ ⑵是为了找出产品固有的弱点？ ⑶单单为确认耐久性而实施？ 一般在可靠性领域⑴是基本，根据目的与试验相关的 一切都会改变。
以内分子间的反应为主，在反应开始和进展中只要有热干 扰，其速度即受热影响，利用这一原理来说明的模式。
如果改用采用 HAST 试验时的加速系数为多少。选 择适用于阿伦纽斯模型的失效现象进行耐湿性试 验，湿度采用同样的相对湿度（85%RH），这样可 以假定反应速度只与温度变化有相关关系。
首先（1）可以改写为以下形式：K = exp {1.16 × 104 × Ea × (1/(273+to)-1/(273+ta))} 1/R=1/8.1659(K/eV)
HAST 发现的失效机理类似于 THB，但其加速 速率更快。有些器件生产厂对已知潮湿敏感度的批 次进行了比较，确定失效是由相同的失效模式引起， 对这些批次用 HAST 试验代替 THB。用加速度因数 根据 HAST 试验结果推导出等效的 THB 失效结果。 进行加速试验时，最关心的话题就是加速系数的问 题。比如进行 THB 试验条件为 85℃85%RH 的试验，
3、综合反应模式 故障综合的因素是以每次的现象的乘积来表示的。
接下来以热化学反应模式为例加以说明。
3、加速试验与故障物理 计划加速试验时、试验后产品故障分析时要预先设定
好模式，按照带说明的模式去验证。若考虑故障机理，则 应该从技术上类推演绎。有恶化模式、故障率模式、或概 率模式等，在此为较容易理解的恶化模式的例子。恶化模式也有 种种，用的最多的有：
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３
失效模型与激活能之间也具有相关关系，阿伦
纽斯模型失效时间对激活能值非常敏感。将失效现
象进行相应的归纳，均可以找出其相应的关系。表 1
列举了一些失效模型与激活能的实例。
表 1 常见失效机理的激活能
常见失效机理类别
典型值(eV)
表面／氧化
1.0
电荷损失(动态存储器)
本来故障现象从定性的观点来看，材料物资的恶化都 是在适当的物理、化学因素组合时开始，受周围环境影响 反应速度加快，随时间而变化，在快要稳定的过程中潜在。 故障总是要发生的，且一定存在原因，而象某一天偶发故 障的事是绝对不存在的。
但是，所谓加速试验这种试验方法，果真就加速了 吗？而加速又是针对什么，加速了什么？是有必要明确它 的基准。从结论来讲，实施加速试验是以已经可以预测试 验结果，即已知故障主要原因及故障机理为大前提。由此， 首次加速和加速系数都是有其意义的。反过来这些关系未 明确，却突然将产品曝露在严酷条件，尽管在短时间使其 发生故障那也仅仅是破坏而已。
２
生化学反应的能量称为活化能。活化能的值根据反 应 现 象 不 同 而 不 同 。 单 位 通 常 为 eV ， 相 当 于 1.602210-19。
R = 波尔兹曼常数(8.6171×10－5eV) T = | To – Ta （| To = 使用环境结温(K)，Ta = 试 验环境结温(K)） 由于半导体器件是通过利用物理及化学变化制 造而成，所以通过热应力影响可以使半导体器件的 物理化学发生变化，以此达到产品可靠性极限而产
下面结合实例说明一下如何根据试验结果进行
市场可靠度推测的方法。
使用 HAST（130℃/85%RH）的试验结果推算
市场环境下（35℃/85%RH）样品可以有多长的寿命。
采用的 Ea 范围为 0.8-1.0。
首先计算加速系数：
（Ea = 0.8） K = exp {1.16 ×
104 ×
0.8 ×
(1/(273+35)-1/(273+130))} = 1268.512≈1200 倍
4、可靠性和来自现场的传言 在被称为信息化社会的今天，并且所有的事虽
然都被认为可以用科学来证明的时代，传言总是走 在前列。这在以科学性为卖点的可靠性行业（？） 里也不例外。一般来说，传言在其真相不明的时候 有被散布的倾向。实际上即使基本上没有发生索赔 问题，也常常被散布者（公司）作为非常事态向周 围夸大散布。即使有索赔的发生也仅仅是极少数， 或者是有可能发生的事被作为已发生的事传说也经 常可以碰到。
在可靠性领域进行的加速试验已如您所知，汇总如 下：
“比基准条件严酷的条件下，以大于通常的速度促进 产品的故障机理，利用同一模式存在于两者之间的规律 性，使其在短时间内再现。”即加速试验的成立是以这些 故障的机理与故障模式要同一为前提，其中必定在未加速 与已加速的试验之间存在规律性的结果。为此，计划做加 速试验时以下为基本项目。
的失效率的计算方法
该预计方法采用包括诸如环境、质量应用、
最大额定值、复杂度、温度、结构之类的
详细信息以及其它应用因素在内的复杂模
型。该方法往往在设计周期接近结束时和
实际电路设计已经确定时使用。
（2）
λP =λb×πT×πQ×πE λb：基本失效率 πT：温度参数 πQ：品质参数 πE：环境参数 根据电子元器件数分析法计算设备或系统
年
Ea = 1.0 时，48×7500=360，000 小时≈41.0
年
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４
通过实例可以看出由于使用的 Ea 不同，得出的 结论是差距十分地大。因此进行试验前确认选取适 当的 Ea 十分重要。
3-3 电 子 部 品 的 失 效 率 预 测 方 法 ：
MIL-HDBK-217(Notice2)
（Ea = 1.0） K = exp {1.16 ×
104 ×
1.0 ×
(1/(273+35)-1/(273+130))} = 7570.39≈7500 倍
其 次 推 断 寿 命 时 间 ， 如 果 HAST （ 130 ℃
/85%RH）试验时间为 48 小时，则可以推断：
Ea = 0.8 时，48×1200=57，600 小时≈6.5
那么为什么传言可以确立呢？实际上没有发 生，但无论在哪里都有可能发生的时候以及在理论 上或至今为止的经验上认为有发生的可能性时传言 就容易产生，出于忠告的目的的情况也有。
大胆的说，电气电子行业有关产品可靠性的话 题中所出现的各种故障现象并不是才出现的，从原 理上看基本上是很久以前就发现的现象。
那么这些古老的新话题为什么要评价，日本的 工业产品的可靠性达到现在的高水准的背景是因为 认真地解决了一个又一个的不良问题。在这个实际 成绩中，亲身体会到一个不良问题在统计上实际隐 藏了几倍同类不良问题。被认为有其重要性的产业 界即汽车行业中，移动通讯或者室外使用的机器成 为话题的情况很多。
0.6
介质击穿
场＞0.04 微米厚
0.3
场＜0.04 微米厚
0.7
金属化
电迁移(铝、合金和多层铝)
0.6
腐蚀——氯
0.7
腐蚀——磷
0.53
圆片制造
化学沾污 硅／晶体缺陷
1.00 0.50
3-2 加速试验与加速系数及寿命预测的关系 近几年 THB 对微电路没那么有用了，因为芯片
的封装质量提高了；要获得有用的结果，可能要经 过数千小时的可靠性试验，因此需要高加速应力试 验。
1、可在短时间内评价。 2、已提出问题，预测好结果的重点评价。 3、已知产品使用条件及其时的环境条件。 4、留意存储将来可利用的具有一般特征的基础数据。 虽然对解说没有什么必要，但在此说明一下第 2 项和 第 3 项主要是指实施试验时已将大致的主要原因提出，并 能够了解其发展方向。第 4 项是考虑将来收集可利用的数 据。 通常采用的加速试验手法按耗时加载到产品的应力 的方法分类如下： 1、固定应力试验－研究故障时间的分布。 2、循环试验－研究应力循环的影响。 3、应力增加试验－研究寿命到来时的应力分布。 4、阶梯应力(step stress)试验－研究在哪一步发生故 障。 这里第 3 项和第 4 项没有本质差别。由上一步应力导 致的恶化累积下去。
“以缩短试验时间为目的，以比标准更严酷的条件进行的 试验”。一般来讲比标准条件越严酷时间越能缩短，但能 够耐此试验的产品就证明优良还为时过早。事实上在最严 酷的条件下通过的产品，在同样时间以最宽松条件试验也 经常发生故障。
1、 前言 单单说可靠性试验其内容也是千差万别的，通常从可
靠性技术的观点来说，是以产品从工厂出厂后，在市场上 保管或使用与周围“环境”息息相关的产品的性能如何保 证为其目的。一般来说容易将“可靠性试验”等同于“环 境试验”，实际上环境试验也是各式各样，不能这么简单 地划等号。实际上环境试验也并非单纯等同“加速试验”。 这里从可靠性工学的角度来解析加速试验，而不在品质管 理上触及，慎重起见特此告知。
将数据代入关系式后可以得出表 2 的加速系数。 Ea(eV) 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5
110 3.56 5.43 8.29 12.7 23.9 ℃ HAST 120 5.65 10.1 17.9 31.9 75.8 ℃ 130 8.77 18.1 37.3 76.8 228 ℃ 140 13.3 31.6 74.8 177 647 ℃
半导体器件的加速寿命试验评价方法
山本 敏男
持续努力提高元器件及材料可靠性的结果，诞生了许多的 高可靠性产品。由此减少了故障发生的机会，而具体作可 靠性评价试验则需要很长时间。人们希望作在更短时间获 得有效结果的评价试验，即加速试验。但是所谓加速试验 并非单纯加强应力缩短时间即可，同时它也不是全能的试 验。理解了这一点，有效利用这种手法与否，其可靠性评 价的结果会有天壤之别。 在此以电气、电子设备及部件为例，就有关加速试验的概 要及思路加以说明。
K = A × exp (–Ea / RT ) A = 加速系数 Ea = 激活能，特定失效机理的典型值或根据经验数据 推导而得。表示由外界施加的由正常状态转变为危险状态 能量值。具体讲比如常温下氧元素与氢元素不发生任何反 应，这时如果外部加热会发生化学反应，这种可以促使发
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的失效率方法
该模型要求较少的系统信息量，在考虑元
器件质量和碰到的环境条件的情况下，首
先使用各种元器件数。一般来说，该方法
适用于早期设计阶段，以获得系统可靠性
的初始估计值。在该阶段中，详细的电路
设计是未知的。
λequip= ΣNi(λG×λQ)×I （失效件数/106 小时）
λequip：设备失效率
I=n：设备系统的部品组数 Ni：同组部品件数 λG：第 I 号同组部品的失效率 λQ：品质参数
上面我们介绍了通过试验进行可靠性推测一些
方法，其实不进行试验对电子部品失效率采用美国
军用标准手册也可以进行一定科学的推测。美国军
用电子设备及系统的可靠性数据比较准确严格，实
践上非常有参考意义。但是消费电子的推测上要进
行一定的修正因此使用时一定加以注意，这里简单
介绍一下基本的考虑方法。
（1） 根据电子元器件应力预计法进行电子部品
高加速应力试验(HAST)是在湿度环境中评价固 态器件的非气密性封装。这一试验用高温(通常为 130℃)、高相对湿度(约 85%)、高大气压条件(达 2-4atm)来加速潮气通过外部保护材料或芯片引线 周围的密封。这一试验是要加速有关金属化腐蚀、 材料界面处的分层、线焊失效和绝缘电阻下降等的 失效机理。
生失效。因此阿伦纽斯模型由于非常适用于建立半 导体器件失效模型，广泛应用于半导体器件的可靠 性试验及失效分析进行可靠性推测，以评价塑封微 电路和半导体在特定应用中的适用性。
阿伦纽斯模型寿命温度关系广泛用于建立产品 寿命与温度的关系模型。这一关系式用于表示某个 失效机理对温度的敏感度和产品的热加速因数。半 导体器件的激活能与失效机理关系非常明显，请参 见图 3 与图 4。
1、应力－强度模式 从产品所固有的强度与周边应力的关系来说明故障。（以 强度恶化分布与应力分布重叠的部分视为故障发生。）
2、热化学反应模式
3-1 阿伦纽斯模型 热化学反应模型中最早就热效能进行研究的理论为
阿伦纽斯模型（the Arrhenius equation），其关系式为如 下。K 表示反应加速常数，在绝对温度为 273.15+ t℃时 的函数关系为：
爱斯佩克环境仪器（上海）有限公司翻译
１
而且重要的是事先要明确区别是下列什么目的： ⑴是在与市场相关范围内试验？ ⑵是为了找出产品固有的弱点？ ⑶单单为确认耐久性而实施？ 一般在可靠性领域⑴是基本，根据目的与试验相关的 一切都会改变。
以内分子间的反应为主，在反应开始和进展中只要有热干 扰，其速度即受热影响，利用这一原理来说明的模式。
如果改用采用 HAST 试验时的加速系数为多少。选 择适用于阿伦纽斯模型的失效现象进行耐湿性试 验，湿度采用同样的相对湿度（85%RH），这样可 以假定反应速度只与温度变化有相关关系。
首先（1）可以改写为以下形式：K = exp {1.16 × 104 × Ea × (1/(273+to)-1/(273+ta))} 1/R=1/8.1659(K/eV)
HAST 发现的失效机理类似于 THB，但其加速 速率更快。有些器件生产厂对已知潮湿敏感度的批 次进行了比较，确定失效是由相同的失效模式引起， 对这些批次用 HAST 试验代替 THB。用加速度因数 根据 HAST 试验结果推导出等效的 THB 失效结果。 进行加速试验时，最关心的话题就是加速系数的问 题。比如进行 THB 试验条件为 85℃85%RH 的试验，
3、综合反应模式 故障综合的因素是以每次的现象的乘积来表示的。
接下来以热化学反应模式为例加以说明。
3、加速试验与故障物理 计划加速试验时、试验后产品故障分析时要预先设定
好模式，按照带说明的模式去验证。若考虑故障机理，则 应该从技术上类推演绎。有恶化模式、故障率模式、或概 率模式等，在此为较容易理解的恶化模式的例子。恶化模式也有 种种，用的最多的有：
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３
失效模型与激活能之间也具有相关关系，阿伦
纽斯模型失效时间对激活能值非常敏感。将失效现
象进行相应的归纳，均可以找出其相应的关系。表 1
列举了一些失效模型与激活能的实例。
表 1 常见失效机理的激活能
常见失效机理类别
典型值(eV)
表面／氧化
1.0
电荷损失(动态存储器)
本来故障现象从定性的观点来看，材料物资的恶化都 是在适当的物理、化学因素组合时开始，受周围环境影响 反应速度加快，随时间而变化，在快要稳定的过程中潜在。 故障总是要发生的，且一定存在原因，而象某一天偶发故 障的事是绝对不存在的。
但是，所谓加速试验这种试验方法，果真就加速了 吗？而加速又是针对什么，加速了什么？是有必要明确它 的基准。从结论来讲，实施加速试验是以已经可以预测试 验结果，即已知故障主要原因及故障机理为大前提。由此， 首次加速和加速系数都是有其意义的。反过来这些关系未 明确，却突然将产品曝露在严酷条件，尽管在短时间使其 发生故障那也仅仅是破坏而已。
２
生化学反应的能量称为活化能。活化能的值根据反 应 现 象 不 同 而 不 同 。 单 位 通 常 为 eV ， 相 当 于 1.602210-19。
R = 波尔兹曼常数(8.6171×10－5eV) T = | To – Ta （| To = 使用环境结温(K)，Ta = 试 验环境结温(K)） 由于半导体器件是通过利用物理及化学变化制 造而成，所以通过热应力影响可以使半导体器件的 物理化学发生变化，以此达到产品可靠性极限而产
下面结合实例说明一下如何根据试验结果进行
市场可靠度推测的方法。
使用 HAST（130℃/85%RH）的试验结果推算
市场环境下（35℃/85%RH）样品可以有多长的寿命。
采用的 Ea 范围为 0.8-1.0。
首先计算加速系数：
（Ea = 0.8） K = exp {1.16 ×
104 ×
0.8 ×
(1/(273+35)-1/(273+130))} = 1268.512≈1200 倍
4、可靠性和来自现场的传言 在被称为信息化社会的今天，并且所有的事虽
然都被认为可以用科学来证明的时代，传言总是走 在前列。这在以科学性为卖点的可靠性行业（？） 里也不例外。一般来说，传言在其真相不明的时候 有被散布的倾向。实际上即使基本上没有发生索赔 问题，也常常被散布者（公司）作为非常事态向周 围夸大散布。即使有索赔的发生也仅仅是极少数， 或者是有可能发生的事被作为已发生的事传说也经 常可以碰到。
在可靠性领域进行的加速试验已如您所知，汇总如 下：
“比基准条件严酷的条件下，以大于通常的速度促进 产品的故障机理，利用同一模式存在于两者之间的规律 性，使其在短时间内再现。”即加速试验的成立是以这些 故障的机理与故障模式要同一为前提，其中必定在未加速 与已加速的试验之间存在规律性的结果。为此，计划做加 速试验时以下为基本项目。
的失效率的计算方法
该预计方法采用包括诸如环境、质量应用、
最大额定值、复杂度、温度、结构之类的
详细信息以及其它应用因素在内的复杂模
型。该方法往往在设计周期接近结束时和
实际电路设计已经确定时使用。
（2）
λP =λb×πT×πQ×πE λb：基本失效率 πT：温度参数 πQ：品质参数 πE：环境参数 根据电子元器件数分析法计算设备或系统
年
Ea = 1.0 时，48×7500=360，000 小时≈41.0
年
爱斯佩克环境仪器（上海）有限公司翻译
４
通过实例可以看出由于使用的 Ea 不同，得出的 结论是差距十分地大。因此进行试验前确认选取适 当的 Ea 十分重要。
3-3 电 子 部 品 的 失 效 率 预 测 方 法 ：
MIL-HDBK-217(Notice2)
（Ea = 1.0） K = exp {1.16 ×
104 ×
1.0 ×
(1/(273+35)-1/(273+130))} = 7570.39≈7500 倍
其 次 推 断 寿 命 时 间 ， 如 果 HAST （ 130 ℃
/85%RH）试验时间为 48 小时，则可以推断：
Ea = 0.8 时，48×1200=57，600 小时≈6.5
那么为什么传言可以确立呢？实际上没有发 生，但无论在哪里都有可能发生的时候以及在理论 上或至今为止的经验上认为有发生的可能性时传言 就容易产生，出于忠告的目的的情况也有。
大胆的说，电气电子行业有关产品可靠性的话 题中所出现的各种故障现象并不是才出现的，从原 理上看基本上是很久以前就发现的现象。
那么这些古老的新话题为什么要评价，日本的 工业产品的可靠性达到现在的高水准的背景是因为 认真地解决了一个又一个的不良问题。在这个实际 成绩中，亲身体会到一个不良问题在统计上实际隐 藏了几倍同类不良问题。被认为有其重要性的产业 界即汽车行业中，移动通讯或者室外使用的机器成 为话题的情况很多。
0.6
介质击穿
场＞0.04 微米厚
0.3
场＜0.04 微米厚
0.7
金属化
电迁移(铝、合金和多层铝)
0.6
腐蚀——氯
0.7
腐蚀——磷
0.53
圆片制造
化学沾污 硅／晶体缺陷
1.00 0.50
3-2 加速试验与加速系数及寿命预测的关系 近几年 THB 对微电路没那么有用了，因为芯片
的封装质量提高了；要获得有用的结果，可能要经 过数千小时的可靠性试验，因此需要高加速应力试 验。
1、可在短时间内评价。 2、已提出问题，预测好结果的重点评价。 3、已知产品使用条件及其时的环境条件。 4、留意存储将来可利用的具有一般特征的基础数据。 虽然对解说没有什么必要，但在此说明一下第 2 项和 第 3 项主要是指实施试验时已将大致的主要原因提出，并 能够了解其发展方向。第 4 项是考虑将来收集可利用的数 据。 通常采用的加速试验手法按耗时加载到产品的应力 的方法分类如下： 1、固定应力试验－研究故障时间的分布。 2、循环试验－研究应力循环的影响。 3、应力增加试验－研究寿命到来时的应力分布。 4、阶梯应力(step stress)试验－研究在哪一步发生故 障。 这里第 3 项和第 4 项没有本质差别。由上一步应力导 致的恶化累积下去。