在高可靠性电子系统中，一颗微小的芯片失效，可能引发整机停机甚至安全事故。因此，在元器件投入使用前，必须通过严苛的环境应力筛选（ESS）剔除早期失效产品。在众多筛选方法中，温度循环（Temperature Cycling, TC） 与 高温老化（Highly Accelerated Stress Test, HAST 或 Burn-in） 是两大核心技术。它们虽目的相近，但机理、适用场景与失效模式截然不同。本文将深入解析二者的差异与协同价值。
为什么需要环境应力筛选？
半导体制造过程中，材料缺陷、封装瑕疵、焊接空洞等问题难以完全避免。这些“潜在杀手”在常温常压下可能长期潜伏，一旦设备投入高温、高湿或剧烈温变环境，便迅速暴露，导致早期失效（Infant Mortality）。通过人为施加加速应力，可在出厂前激发这些缺陷，从而大幅提升产品现场可靠性。
温度循环（TC）：模拟热胀冷缩的“疲劳测试”
什么是温度循环？
温度循环通过在高低温极限之间反复切换（如 -55°C ↔ +125°C），模拟元器件在实际使用中经历的昼夜温差、开关机热冲击等场景。
失效机理聚焦
- 封装材料与芯片热膨胀系数（CTE）不匹配 → 引发焊点裂纹、分层
- 金属互连疲劳 → 电阻增大或开路
- 芯片与基板界面脱粘
适用对象
✅ 封装结构复杂（如BGA、QFN）
✅ 应用于户外或频繁启停设备（如汽车电子、航天器）
高温老化（Burn-in / HAST）：加速电迁移与漏电的“压力熔炉”
什么是高温老化？
高温老化通常在恒定高温（如125°C–150°C）甚至高温高湿（如130°C / 85% RH 的HAST条件）下，对元器件施加工作电压，持续数小时至数百小时。
失效机理聚焦
- 电迁移（Electromigration）→ 金属线断裂或短路
- 栅氧击穿（Gate Oxide Breakdown）
- 湿气渗透导致腐蚀或漏电流激增（尤其在HAST中）
适用对象
✅ 高功率器件（如MOSFET、IGBT）
✅ 存储芯片（DRAM、NAND）
✅ 需长期稳定运行的工业/医疗设备
温度循环 vs 高温老化：关键对比
| 项目 | 温度循环（TC） | 高温老化（Burn-in / HAST） |
|---|---|---|
| 核心应力 | 热机械应力（ΔT） | 热+电+湿应力 |
| 主要失效模式 | 机械疲劳、分层、焊点开裂 | 电迁移、漏电、腐蚀 |
| 测试时间 | 数十至数百循环（数小时~数天） | 数十至数百小时 |
| 是否通电 | 通常不通电（可选） | 必须通电（动态老化） |
| 典型标准 | JESD22-A104, MIL-STD-883 | JESD22-A108, JESD22-A110 |
如何选择？协同使用更可靠
单一应力筛选难以覆盖所有潜在缺陷。最佳实践是组合使用：
- 先做高温老化：剔除电性早期失效（如漏电、弱击穿）
- 再做温度循环：暴露封装与互连结构的机械可靠性问题
这种“双保险”策略已被军工、汽车电子等行业广泛采纳，显著提升产品寿命与现场稳定性。
总结
温度循环与高温老化并非相互替代，而是互补的可靠性“双刃剑”。前者揪出结构隐患，后者捕获电性缺陷。在半导体器件日益微型化、高性能化的今天，科学组合这两种筛选手段，是保障产品高可靠性的必由之路。企业应根据应用场景、失效风险与成本，制定定制化的筛选流程，而非“一刀切”。
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