普泰克汽车芯片高温测试

一、测试目的

1. 验证高温适应性：确保芯片在高温环境中不出现功能失效、性能衰退或物理损坏（如电路烧毁、封装融化等）。

2. 暴露热设计缺陷：通过高温加速暴露芯片散热设计、材料耐高温性或工艺缺陷（如热应力集中、焊料融化等）。

3. 符合车规标准：满足汽车电子行业（如 AEC-Q100、ISO 16750-2 等）对芯片耐高温性能的强制要求，确保芯片适用于车载高温场景（如引擎舱、功率模块附近）。

二、测试设备与原理

1. 主要设备：高温试验箱（烘箱）

• 结构特点：

• 具备高精度温控系统，可模拟恒定高温环境（如 85℃~175℃），部分设备支持湿度加载（如高温高湿测试）。

• 箱内温度均匀性通常控制在 ±2℃以内，支持长时间连续运行（数百至数千小时）。

• 核心参数：

• 温度范围：常见为 - 70℃~200℃，车规测试高温端通常为 125℃、150℃或更高（如 Grade 0 标准下的 175℃）；

• 升温速率：可设定为 5℃/min~20℃/min，部分设备支持快速升温。

2. 测试原理

• 恒定高温暴露：
  芯片样品在设定高温下持续工作或静置，通过监测其电气性能（如电压、电流、逻辑功能）和物理状态（如外观变形、焊点融化）评估可靠性。

• 高温工作测试：
  模拟芯片在高温下的实际负载场景（如满负荷运行），检测其是否因发热导致性能下降（如频率降频、信号延迟增加）。

• 失效判定依据：

• 电气性能：超过规格书规定的阈值（如工作电压波动 ±5%、时钟频率偏差 ±1%）；

• 物理损坏：封装材料碳化、引脚氧化、芯片内部短路等。

三、测试标准与流程

1. 行业标准

• AEC-Q100（汽车电子可靠性标准）：

• 芯片在非工作状态下暴露于高温（如 150℃、175℃）中存储 1000 小时，验证材料长期耐高温能力。

• 要求芯片在最高工作温度（如 125℃、150℃）下持续运行 1000 小时以上，期间定期检测电气性能。

• 高温工作寿命测试（High Temperature Operating Life, HTOL）：

• 高温存储测试（High Temperature Storage, HTS）：

• 其他标准：

• ISO 16750-2：规定车载电子设备的高温工作极限（如引擎舱内设备需耐受 125℃）；

• JEDEC J-STD-033：半导体器件的高温烘焙处理标准（用于湿度敏感度测试前的预处理）。

2. 测试流程

1. 样品准备：

• 芯片需完成封装（如 BGA、LGA 等）并焊接至测试夹具或 PCB 板，部分测试需模拟实际应用中的散热条件（如安装 heatsink、涂覆导热硅脂）。

2. 初始检测：

• 测试前进行全功能电气性能测试，记录初始数据（如功耗、信号完整性）。

3. 高温测试执行：

• 案例 1：HTOL 测试

  阶段	温度	持续时间	检测频率
  高温工作	125℃	1000 小时	每 24 小时抽检

• 案例 2：高温存储测试

  阶段	温度	持续时间	检测节点
  高温存储	150℃	1000 小时	0 小时、500 小时、1000 小时（检测外观及电气性能）

4. 中间及最终检测：

• 测试中定期抽检（如每 100 小时），测试结束后进行全面电气性能测试和物理分析（如 X 射线检测焊点、SAM 扫描检测分层）。

5. 失效分析：

• 若出现性能异常或物理损坏，通过红外热成像、能谱分析（EDS）等手段定位原因（如芯片结温超标、封装材料热降解），并推动设计改进（如优化热传导路径、更换耐高温封装材料）。

四、常见失效模式与原因

1. 电气失效：

• 晶体管退化：高温加速半导体器件老化，导致阈值电压漂移、漏电流增加；

• 互连失效：金属导线（如铝、铜）在高温下发生电迁移（Electromigration），形成开路或短路；

• ESD 保护失效：高温下静电防护结构性能下降，导致芯片易受瞬态电压冲击。

2. 物理失效：

• 封装变形 / 融化：环氧树脂基封装材料玻璃化转变温度（Tg）不足，导致高温下软化或开裂；

• 焊点失效：焊料（如 SnPb）在高温下发生蠕变，或与引脚金属间形成脆性金属间化合物（IMC）层；

• 芯片裂纹：芯片与封装基板热膨胀系数不匹配（CTE 失配），导致热应力集中开裂。

3. 热管理失效：

• 散热设计不足（如热沉面积过小、导热路径断裂），导致芯片结温（Tj）超过额定值（如 datasheet 规定的 Tjmax=150℃）。

五、测试的关键影响因素

1. 芯片结温（Tj）控制：

• 结温是衡量芯片耐高温能力的核心指标，需通过热仿真（如 ANSYS Icepak）和实测（如红外测温、热电偶）确保测试中 Tj 不超过设计极限。

2. 散热条件模拟：

• 测试夹具需尽可能还原芯片在车内的实际安装方式（如与金属底板接触、周围元件布局），避免因散热差异导致测试结果失真。

3. 长期老化效应：

• 高温测试需足够长的持续时间（如 1000 小时），以模拟芯片在车辆生命周期内（约 10 年）的累积老化效应。

六、技术发展趋势

1. 更高温测试需求：

• 随着新能源汽车（如 SiC 功率器件、800V 高压平台）的普及，车载芯片需耐受更高温度（如 175℃以上），推动测试标准向 Grade 0 + 升级。

2. 原位实时监测：

• 采用片上温度传感器或光纤测温技术，在高温测试中实时监测芯片局部温度分布，精准定位热点区域。

3. 热 - 电耦合测试：

• 结合高温环境与动态电负载（如脉冲电流、高频信号），模拟芯片在工况下的综合性能（如高温下的功耗 - 温度反馈效应）。