一、背景與目標(biāo)

隨著5G基站向高頻化、高集成化、高功率密度方向發(fā)展,其核心芯片(如射頻前端芯片、基帶處理芯片、電源管理芯片等)面臨更嚴苛的可靠性挑戰(zhàn)。其中,高溫高濕環(huán)境(85℃/85%RH及以上)與電流過載(如瞬間浪涌、長期超設(shè)計電流)的復(fù)合應(yīng)力是導(dǎo)致芯片失效的關(guān)鍵場景(如電遷移、熱膨脹開裂、絕緣層擊穿、焊點疲勞等)。

長肯集團作為國內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體與通信設(shè)備測試解決方案服務(wù)商,依托其在環(huán)境可靠性測試、半導(dǎo)體失效分析領(lǐng)域的技術(shù)積累,聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游(芯片設(shè)計、封裝、基站設(shè)備廠商),設(shè)計一套“5G基站芯片高溫高濕電流過載應(yīng)力測試”全流程解決方案,目標(biāo)包括:

驗證芯片在復(fù)合應(yīng)力下的可靠性邊界(壽命、失效閾值);

明確關(guān)鍵失效模式與機理(如材料界面失效、熱-電耦合損傷);

為芯片設(shè)計優(yōu)化(如材料選型、結(jié)構(gòu)加固)、工藝改進(如封裝可靠性提升)及量產(chǎn)測試標(biāo)準制定提供數(shù)據(jù)支撐;

推動行業(yè)測試方法標(biāo)準化,確立長肯集團在5G基站芯片可靠性測試領(lǐng)域的引領(lǐng)地位。

二、測試體系設(shè)計

1. 測試標(biāo)準與指標(biāo)定義

基于5G基站芯片的應(yīng)用場景(如戶外宏站、小基站、邊緣計算單元),結(jié)合國際/行業(yè)標(biāo)準與企業(yè)需求,定義核心測試參數(shù):

測試維度 參考標(biāo)準 關(guān)鍵指標(biāo)

高溫高濕環(huán)境 JEDEC JESD22-A101(恒溫恒濕)、JESD22-A120(溫濕度循環(huán)) 溫度范圍:-40℃~125℃(重點85℃/85%RH);濕度波動:±3%RH;溫變率:5℃/min~10℃/min

電流過載應(yīng)力 AEC-Q100(汽車級可靠性)、IEC 61000-4-2(浪涌) 過載倍數(shù):1.2~2.0倍額定電流;持續(xù)時間:1ms~1000h(瞬時/長期);過載頻率:0.1Hz~1Hz

復(fù)合應(yīng)力協(xié)同效應(yīng) 自定義(長肯集團專利方法) 溫濕度-電流耦合速率(如溫濕度穩(wěn)定后施加電流的時間間隔)、多應(yīng)力疊加周期(如溫循+電流脈沖組合)

2. 測試環(huán)境與設(shè)備配置

設(shè)備類型 功能要求 長肯集團技術(shù)優(yōu)勢

高低溫濕熱試驗箱 精準控制溫濕度,支持快速溫變(±0.5℃/min)與高均勻性(±1℃/±2%RH) 自主研發(fā)“雙循環(huán)制冷+濕度動態(tài)平衡”技術(shù),溫濕度波動度≤±0.3℃/±1.5%RH,行業(yè)領(lǐng)先

可編程直流電源+電子負載 模擬恒流/恒壓過載,支持瞬時浪涌(μs級響應(yīng))與長期過載(1000h連續(xù)運行) 集成“動態(tài)電流波形編輯”功能,可模擬5G基站芯片實際工作中的浪涌、脈沖群等復(fù)雜電流場景

多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng) 實時采集芯片表面溫度(紅外熱像儀+接觸式熱電偶)、結(jié)溫(TJ)、功耗、漏電流等 毫秒級同步采樣(100Hz頻率),支持芯片級(微米級)熱點定位(紅外分辨率≤5μm)

應(yīng)力耦合控制模塊 實現(xiàn)溫濕度與電流過載的時序/邏輯聯(lián)動(如“溫濕度穩(wěn)定→施加電流→溫濕度再變化”) 支持自定義“應(yīng)力-時間”矩陣(如85℃/85%RH下,1.5倍電流持續(xù)24h→降載至1.2倍電流循環(huán)100次)

失效模式輔助分析系統(tǒng) 結(jié)合聲學(xué)掃描顯微鏡(SAM)、X射線(X-Ray)、掃描電鏡(SEM)等,定位微觀失效點 內(nèi)置“失效模式數(shù)據(jù)庫(含500+5G芯片案例)”,支持AI輔助失效機理診斷(準確率≥90%)

長肯集團依托自主研發(fā)的“多應(yīng)力耦合可靠性測試系統(tǒng)(MCTR-5G)”,構(gòu)建高溫高濕-電流過載復(fù)合測試平臺,核心設(shè)備包括:

3. 測試對象與場景覆蓋

針對5G基站核心芯片,覆蓋以下典型場景:

射頻芯片(RFIC):高溫高濕環(huán)境下,大電流(如PA功放)導(dǎo)致的焊點熱疲勞、互連金屬電遷移;

電源管理芯片(PMIC):長期過載(如負載突增)下的熱失控、電容電解液揮發(fā);

基帶處理芯片(BBIC):溫濕度循環(huán)中,高速IO接口(如LPDDR5、PCIe 5.0)的電遷移與信號完整性退化;

封裝與基板:FC-BGA封裝的硅通孔(TSV)、底部填充膠(Underfill)在高濕高溫+電流應(yīng)力下的界面分層。

三、測試實施流程

長肯集團采用“分級驗證+加速壽命評估”的雙軌制流程,兼顧效率與準確性:

1. 預(yù)處理與初始特性測試

預(yù)處理:對芯片進行清洗、烘干(125℃/2h),去除表面污染物,避免初始缺陷干擾;

初始特性測試:測量芯片的靜態(tài)參數(shù)(如閾值電壓Vth、導(dǎo)通電阻Rds-on)、動態(tài)性能(如開關(guān)頻率fsw、延遲時間t delay)、可靠性相關(guān)參數(shù)(如絕緣電阻I-V曲線、熱阻Rth)。

2. 單應(yīng)力基準測試(可選)

高溫高濕基準測試:在85℃/85%RH下持續(xù)1000h,驗證芯片的基礎(chǔ)防潮、抗電化學(xué)腐蝕能力;

電流過載基準測試:在常溫(25℃)下施加1.5倍額定電流,持續(xù)1000h,驗證抗電遷移能力;

目的:分離單一應(yīng)力對芯片的影響,為復(fù)合應(yīng)力測試提供對比基準。

3. 復(fù)合應(yīng)力加速測試(核心環(huán)節(jié))

設(shè)計正交試驗矩陣,覆蓋不同應(yīng)力水平的組合(示例):

應(yīng)力組 溫濕度條件 電流過載倍數(shù) 持續(xù)時間 循環(huán)次數(shù) 終止條件

組1(低應(yīng)力) 85℃/85%RH 1.2倍 100h 10次 參數(shù)漂移≥10%或功能失效

組2(中應(yīng)力) 105℃/90%RH 1.5倍 500h 5次 出現(xiàn)不可逆失效(如短路)

組3(高應(yīng)力) 125℃/95%RH 2.0倍 100h 3次 樣品全失效

測試執(zhí)行:通過MCTR-5G系統(tǒng)自動控制溫濕度與電流的時序(如“溫濕度穩(wěn)定30min→施加電流→保持24h→降載冷卻1h→重復(fù)循環(huán)”);

實時監(jiān)測:每5min記錄一次溫濕度、電流、電壓、功耗及芯片表面溫度分布(紅外熱像圖);

中途抽樣:每24h抽取部分樣品進行電鏡(SEM)檢查,觀察早期失效特征(如金屬互連線空洞、介質(zhì)層裂紋)

4. 失效分析與數(shù)據(jù)建模

失效模式分類:通過SAM、X-Ray、SEM等手段,將失效分為電遷移(EM)、熱機械疲勞(TMF)、絕緣擊穿(TDDB)、腐蝕(Corrosion)等類別;

加速因子計算:基于Arrhenius模型(溫度)與Eyring模型(濕度/電流),計算不同應(yīng)力水平下的加速因子,外推實際工作條件下的壽命(如10年@65℃/60%RH);

壽命預(yù)測模型:采用Weibull分布擬合失效時間數(shù)據(jù),建立“溫濕度-電流”復(fù)合應(yīng)力下的可靠性預(yù)測方程。

四、長肯集團的行業(yè)引領(lǐng)作用

長肯集團通過本方案的技術(shù)創(chuàng)新與服務(wù)模式升級,鞏固其在5G基站芯片測試領(lǐng)域的引領(lǐng)地位,具體體現(xiàn):

1. 技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)

自主設(shè)備研發(fā):推出全球首款“5G芯片多應(yīng)力耦合測試系統(tǒng)(MCTR-5G)”,突破傳統(tǒng)溫循箱與電源系統(tǒng)獨立控制的局限,實現(xiàn)溫濕度-電流的μs級協(xié)同控制;

專利與標(biāo)準輸出:申請“一種5G基站芯片復(fù)合應(yīng)力加速測試方法”等核心專利10項以上,參與制定《5G通信設(shè)備芯片可靠性測試規(guī)范》(行業(yè)標(biāo)準),推動測試方法標(biāo)準化。

2. 全流程服務(wù)能力

從設(shè)計到量產(chǎn)的覆蓋:提供“芯片設(shè)計驗證(DFT階段)→原型機測試(EVT/DVT)→量產(chǎn)抽檢(MP)”全生命周期測試服務(wù),幫助客戶提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷(如封裝材料選型不當(dāng));

定制化解決方案:針對頭部客戶(如華為、中興、愛立信)的特殊需求(如極端環(huán)境下的軍用5G基站芯片),提供“應(yīng)力水平定制+專用失效分析報告”的定制服務(wù)。

3. 數(shù)據(jù)驅(qū)動的可靠性優(yōu)化

行業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè):積累500+5G芯片測試案例,建立“芯片類型-應(yīng)力水平-失效模式”關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫,為客戶提供“設(shè)計-測試-改進”的閉環(huán)優(yōu)化建議(如推薦低電遷移率的銅合金互連線材料);

AI輔助決策:通過機器學(xué)習(xí)算法分析測試數(shù)據(jù),預(yù)測芯片在不同工況下的失效概率,幫助客戶優(yōu)化量產(chǎn)良率(預(yù)計提升5%~10%)。

五、預(yù)期成果

技術(shù)成果:輸出《5G基站芯片高溫高濕電流過載應(yīng)力測試白皮書》,明確關(guān)鍵失效閾值與設(shè)計規(guī)范;

產(chǎn)業(yè)價值:幫助芯片廠商縮短可靠性驗證周期30%以上(從傳統(tǒng)的6個月降至4個月),降低5G基站因芯片失效導(dǎo)致的運維成本(預(yù)計年節(jié)約超10億元);

品牌影響力:確立長肯集團作為“5G基站芯片可靠性測試第一品牌”的市場地位,市場份額提升至國內(nèi)30%以上

長肯集團通過本方案,不僅為客戶提供高價值的測試服務(wù),更通過技術(shù)創(chuàng)新與標(biāo)準輸出,推動5G通信產(chǎn)業(yè)鏈的可靠性水平整體提升,助力我國在全球半導(dǎo)體測試領(lǐng)域從“跟跑”轉(zhuǎn)向“領(lǐng)跑”。