TCT失效循环次数计算

TCT失效循环次数计算1大綱一.溫度循環測試基本知識介紹二.TCT失效循环次数计算三.业界TCT测试条件比较2大綱一.溫度循環測試基本知識介紹二.TCT失效循环次数计算三.业界TCT测试条件比较3目的：類比環境溫度變化或開關機造成的溫度變化，考核溫度交替

變化對產品機械/電性能的影響，暴露粘片/鍵合/塑封等封裝工藝/材

料缺陷，及金屬化/鈍化等圓片工藝問題條件：500Cycles,-65℃/15min~150℃/15min

SampleSize:3lots/25pcs(摘自JEDEC47其中一个测试条件）失效機理:不同材料間熱膨脹係數差異造成介面熱匹配問題，造成金線斷裂,鍵合脫落,塑封開裂（密封性失效）,介面分層（熱阻增大）,鋁線再結構（開短路）,鈍化層開裂,矽鋁接觸開路,晶片背面劃痕

繼續長大導致晶片開裂。設備：冷熱衝擊實驗柜（TemperatureCyclingChamber)注意事項:測試中途有連續中斷時間超出測試總cycle數10%以上﹐

此實驗必須重做TCT(TemperatureCyclingTest)4測試條件的選擇---溫度範圍溫度循環測試條件必須謹慎選擇，溫度循環的溫度範圍及時長選擇需基於產品使用環境、產品的壽命要求以及產品組成IC及分立器件溫度循環常用條件LED溫度循環常用條件IC及分立器件溫度循環常用條件摘自JESD22-A104C5測試條件的選擇---持續時間高溫或低溫持續時間不同於以上表格的soakmode可以被使用，但是必須適用于被考驗的失效機制與flipchip/BGA等焊料互連相關的焊料疲勞及爬行試驗，通常考慮選擇soakmode2,3和4對於焊料互連測試，不建議每個cycle時長低於30min摘自JESD22-A104C6Samplesize選取LTPD:LotTolerancePercentDefective拒收水準/批內允許次品率Example:LTPD=5,samplesize=77當我們可以接受批內次品率小于5%時，如果qualification之samplesize選取77pcs,我們有90%的信心：測試結果可以滿足次品率小于5%，並且可以接受測試結果有1pc失效摘自JESD477大綱一.溫度循環測試基本知識介紹二.TCT失效循环次数计算三.业界TCT测试条件比较及結果判定8温度变化引起的失效类型一旦确认了潜在的失效模式及机制，就要去选择合适的失效模型。JEP122中讨论了已知失效机制的合适(计算)模型和加速能量(对于TCT，潜在失效模式和机制已知)摘自JEP122摘自JEDEC949上述Coffin-Mansonmodel适用于易延展物质，低cycles(一般为几百或者几千)疲劳失效模式下。后来亦成功应用与易碎物质Coffin-Mansonmodel---失效cycles數---與物質材料相關的常數---塑料張力範圍---經驗值---正比關係---一個溫度循環中不會導致塑料變形的溫度範圍一般情況下，ΔTo遠小於ΔT，失效cycle數（lifetime）公式可以演變為如下公式（20）摘自JEP12210基于Coffin-Mansonmodel:Nf=C0*(ΔT)-q來看，假定某物料正常工作溫差條件下失效cycles為Nf1,在溫差變大情況下(比如可靠性溫度循環測試)，失效所需cycles為Nf2,那麼，Nf2肯定比Nf1少。換句話說要達到相同的效果(失效)，

Nf2比Nf1“快”，即溫差變大加速了料件失效,也即可靠性溫度循環測試加速了料件失效,通常將Nf1/Nf2=(ΔTS/ΔTO)q定義為加速因子AFTC所以對於大多数失效機制(除solderjointfatigue)，AFTC為幾百、幾千或者更高AFofMostPackageFailure11系統在運行過程中，半導體通常會經歷溫度循環的衝擊。開機前溫度一般為25度，如果設計良好的話，運行溫度也不會超過55度對於某些powerdevice，系統運行過程結溫會飆高到85度，甚至100度，這就可能導致某些失效的發生爲了評估device承受失效的能力，更大溫度範圍的溫度循環可以被用來評估device可靠性Coffin-Manson模型是最常用加速模型ΔTs是測試溫度差；ΔTo是實際運行時溫度差；n為packagefailure常數下面舉例計算30cycles(-65度~150度)冷熱循環測試相當於電腦運轉多少年？假定運轉中結溫為55度，周圍環境為25度，電腦一天開關機三次；先算出加速因子AF30cycles(-65度~150度)冷熱循環測試相當於電腦正常運行4,064,670cycles供應商計算失效cycles舉例12因温度循环导致焊料疲勞失效率与其它大多数失效機制的失效率是不一样的，引入如下Norris-Landzberg公式：SolderFatigueFailure加速因子ΔTstress=

測試條件下的溫度差ΔTfield=實際使用中的溫度差νfield=實際使用一天平均溫度循環cycles數νstress=測試條件下一天溫度循環cycles數Tmaxfield=實際使用環境最高溫度Tmaxstress=測試條件下最高溫度m=1.9=材料常數，與分子材料特性有關n=1/3=材料常數，與分子材料特性有關Ea/k=0.01=與材料活化能相關的材料常數13

焊料材料因子最小根據coffin-manson模型，因為焊料材料因子最小，所以TCT對solderjoint疲勞失效的加速能力最小必須以最壞的加速狀況來計算，因為這樣才可以滿足實際應用年限的要求

AFofSolderFatigueFailure14

不同终端产品使用条件举例摘自JEDEC9415

不同终端产品基于不同温度测试范围之加速因子及测试时间摘自JEDEC9416高端Server基于Norris-Landzberg

之AF及Nf计算---SolderJointFailure41攝氏度55攝氏度一天內應用端平均溫度循環次數一天內溫度循環測試次數(假定2cycles/Hrs)11年壽命的等同加速cycles數=11年實際運作cycles數/

加速因子=(4/year*11years)/4.27=9cycles摘自JEDEC9417可靠性测试條件：-55°C~125°C（2cycles/Hrs）AF(main)=(6/48)1/3*(180/40)1.9(e0.01(125-60))≈16.69AF(mini)=(6/48)1/3*(180/8)1.9(e0.01(125-60))≈355.15AF(short)=(6/48)1/3*(180/20)1.9(e0.01(125-60))≈62.28Nf=(1*5*365/16.69)+(1*5*365*17/355.15)+(1*5*365/62.28)≈109+87+29=225cycles結論：由於TCT對于焊料疲勞失效加速效果最差，所以供應商必須以焊料疲勞失效機制為依據，來選擇自己可靠性測試條件Solderjointfatigue失效cycles數計算舉例---usedinDT18大綱一.溫度循環測試基本知識介紹二.TCT失效循环次数计算三.业界TCT测试条件比较及結果判定19业界TCT测试条件比较供應商TOSHIBAROHMLRCONNXPTISTPANJITCommodity1IC暫無數據暫無數據ICICICICNA測試條件-65°Cto+150°C-65°Cto+150°C-65°Cto+150°C-65°Cto+150°C-65°Cto+150°CDuration1Hpercycle0.5Hpercycle0.5Hpercycle0.5Hpercycle0.5HpercycleCycles數100500/1000500/1000500/1000500/1000滿足DT5年壽命需求所需測試cycles數(基於焊料疲勞失效機制計算)100126126126126JudgementresultWeakGoodGoodGoodGoodCommodity2DiscreteDiscreteDiscreteDiscreteDiscrete暫無數據

DiscreteDiscrete測試條件-55°Cto+150°C-55°Cto+150°C-55°Cto+150°C-65°/-55°Cto+150°C-65°/-55°Cto+150°C-55°Cto+150°C-65°Cto+150°C-55°Cto+150°CDuration1Hpercycle1Hpercycle0.5Hpercycle0.5Hpercycle0.5Hpercycle0.5Hpercycle0.5Hpercycle1/3HpercycleCycles數10010020010001000100050020滿足DT5年壽命需求所需測試cycles數(基於焊料疲勞失效機制計算)110110137.5126/137.5126/137.5137.5126157JudgementresultWeak/RejectWeak/RejectWeakGoodGoodGoodGoodReject可靠性數據來源於ECME零組件工程資料管理系統及部份供應商回覆20結論1：用於DT之半導體(LED除外)，业界TCT測試溫度範圍一般為-55°Cto+150°C和-65°Cto+150°C，高溫或者低溫holdtime一般不低於15min,多數遵循JEDEC或者AEC標準結論2：日系廠商多遵循本國工業標準EIAJED-4701，測試cycles數較少,但也基本符合DT壽命要求业界TCT测试總結21延伸資料22Norris-Landzbergmodel原型摘自某研究報告23AF=加速因子ff

=(假定)實際使用一天所循環的次數Ea=

激活能(eV)ft=測試條件下一天所循環的次數K=

波爾茲曼常數8.62x10-5eV/Kelvinm=與所分析的材料有關，是一個經驗值n=為材料常數，隨分析材料不同而改變ΔT

f=

實際使用中的溫度差Tf=實際使用環境最高溫度，為凱爾文溫度ΔT

t=

測試條件下的溫度差Tt=

測試環境下的最高凱爾文溫度

最新版JEDEC94A并未区分有铅还是无铅焊料，某些研究报告将无铅焊料m及n做了区别定义。计算只供参考，实际最好以JEDEC所建议的值去计算，

会更有说服力，如下亦僅供參考Norris-Landzberg