# 「5G 芯片可靠性驗(yàn)證」快速溫變?cè)囼?yàn)箱在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用

一、引言

隨著 5G 技術(shù)的迅猛發(fā)展，5G 芯片作為其核心組件，對(duì)可靠性提出了高要求。半導(dǎo)體制造工藝復(fù)雜，芯片在不同環(huán)境條件下的性能穩(wěn)定性關(guān)乎整個(gè) 5G 通信系統(tǒng)的成敗。快速溫變?cè)囼?yàn)箱憑借其精準(zhǔn)模擬極-端溫度環(huán)境的能力，成為 5G 芯片可靠性驗(yàn)證關(guān)鍵設(shè)備，為保障芯片質(zhì)量、推動(dòng) 5G 產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。

二、芯片可靠性面臨的溫度挑戰(zhàn)

1. 日常使用環(huán)境溫差大

• 5G 終端設(shè)備（如智能手機(jī)、基站設(shè)備等）在范圍內(nèi)廣泛使用，面臨從寒冷的極地到炎熱的沙漠等多樣化氣候環(huán)境。芯片需在 -40℃至 +85℃甚至更寬的溫度區(qū)間內(nèi)正常工作，且要能經(jīng)受頻繁的溫度變化沖擊，例如從室內(nèi)常溫迅速過(guò)渡到戶(hù)外高溫或低溫環(huán)境，而不會(huì)出現(xiàn)性能衰退、失效等問(wèn)題。

2. 芯片自身發(fā)熱與散熱不均

• 在工作狀態(tài)下，5G 芯片因高速的數(shù)據(jù)處理、信號(hào)傳輸?shù)热蝿?wù)，功耗較高，會(huì)產(chǎn)生大量熱量。但由于芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同區(qū)域散熱條件各異，容易形成局部過(guò)熱現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)設(shè)備從高負(fù)荷運(yùn)行轉(zhuǎn)為低負(fù)荷或待機(jī)狀態(tài)時(shí)，溫度又會(huì)快速下降，這種頻繁的自身熱循環(huán)對(duì)芯片材料、焊點(diǎn)等部件的可靠性帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。

三、快速溫變?cè)囼?yàn)箱的工作原理及優(yōu)勢(shì)

1. 工作原理

• 基于制冷與制熱技術(shù)，快速溫變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)部配備強(qiáng)大的制冷系統(tǒng)（如壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等）和加熱系統(tǒng)（通常為電加熱絲）。通過(guò)可編程控制器（PLC）精確調(diào)控制冷制熱功率，結(jié)合高效的空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，使箱內(nèi)空氣溫度能夠按照預(yù)設(shè)的速率快速上升或下降，精準(zhǔn)模擬各種復(fù)雜的溫度變化曲線。

• 例如，可設(shè)定從 25℃以每分鐘 10℃的速率升溫至 100℃，然后在 100℃恒溫一段時(shí)間后，再以每分鐘 15℃的速率降溫至 -40℃，如此循環(huán)往復(fù)，以驗(yàn)證芯片在不同溫變階段的可靠性。

2. 優(yōu)勢(shì)

• 精準(zhǔn)控溫：采用高精度的溫度傳感器（如熱敏電阻、熱電偶）多點(diǎn)分布于箱內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋溫度信息至控制系統(tǒng)。配合的 PID（比例 - 積分 - 微分）控制算法，確保箱內(nèi)溫度控制在極小的偏差范圍內(nèi)，一般能達(dá)到 ±0.5℃甚至更高精度，滿足芯片對(duì)溫度精度的苛刻要求。

• 快速溫變能力：區(qū)別于傳統(tǒng)的恒溫恒濕試驗(yàn)箱，快速溫變?cè)囼?yàn)箱具備強(qiáng)的升降溫速率，高可達(dá)每分鐘數(shù)十?dāng)z氏度，能夠高度逼真地重現(xiàn)芯片在實(shí)際使用中面臨的快速溫度切換場(chǎng)景，有效檢測(cè)芯片在急冷急熱環(huán)境下的性能變化。

• 多樣化編程功能：支持復(fù)雜的多段編程模式，操作人員可以根據(jù)不同的芯片測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和需求，靈活定制各種溫度變化程序，涵蓋升溫、降溫、恒溫、循環(huán)等多個(gè)環(huán)節(jié)，適應(yīng)半導(dǎo)體行業(yè)繁多的測(cè)試規(guī)范。

四、在 5G 芯片可靠性驗(yàn)證中的具體應(yīng)用

1. 材料特性測(cè)試

• 將芯片裸片或封裝后的芯片樣品置于試驗(yàn)箱內(nèi)，按照設(shè)定的溫度循環(huán)程序運(yùn)行。通過(guò)監(jiān)測(cè)芯片在不同溫度下的電學(xué)參數(shù)（如電阻、電容、漏電流等）變化，評(píng)估芯片制造所使用的半導(dǎo)體材料（如硅、砷化鎵等）、封裝材料（如環(huán)氧樹(shù)脂、陶瓷等）在溫度應(yīng)力下的穩(wěn)定性，判斷材料是否會(huì)出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的開(kāi)裂、分層等缺陷。

2. 焊點(diǎn)可靠性評(píng)估

• 針對(duì)芯片與封裝基板之間的焊點(diǎn)，快速溫變?cè)囼?yàn)箱模擬芯片在實(shí)際使用中的溫度波動(dòng)。高溫下焊點(diǎn)材料軟化，低溫下又收縮，經(jīng)過(guò)多個(gè)溫變周期后，利用 X 射線檢測(cè)、金相分析等手段檢查焊點(diǎn)是否有開(kāi)裂、虛焊等失效形式，確保芯片在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的電氣連接可靠性。

3. 芯片功能完整性驗(yàn)證

• 在試驗(yàn)箱內(nèi)，讓芯片處于不同的溫度階段，同時(shí)通過(guò)外部測(cè)試設(shè)備向芯片輸入模擬信號(hào)，監(jiān)測(cè)芯片輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。例如，驗(yàn)證 5G 芯片在低溫環(huán)境下的信號(hào)接收靈敏度、在高溫環(huán)境下的數(shù)據(jù)處理速度是否符合設(shè)計(jì)要求，確保芯片在全溫度范圍能正常執(zhí)行其通信功能。

五、應(yīng)用案例與成果

1. 某半導(dǎo)體企業(yè)在研發(fā)新一代 5G 芯片過(guò)程中，引入快速溫變?cè)囼?yàn)箱進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。在為期三個(gè)月的密集測(cè)試中，針對(duì)芯片的不同封裝形式、不同功能模塊設(shè)計(jì)了多套溫變測(cè)試程序。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并解決了幾處潛在的焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題，優(yōu)化了芯片封裝材料的選型，使得芯片在后續(xù)的量產(chǎn)階段良品率提高了 15%，大幅降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)確保了產(chǎn)品推向市場(chǎng)后的穩(wěn)定性，提高了品牌聲譽(yù)。

2. 在一家 5G 基站設(shè)備制造商的質(zhì)量管控環(huán)節(jié)，快速溫變?cè)囼?yàn)箱作為關(guān)鍵檢測(cè)手段，對(duì)每批次采購(gòu)的 5G 芯片進(jìn)行入廠抽檢。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的溫度可靠性測(cè)試，淘汰了一批在高溫環(huán)境下存在功能異常的芯片，避免了因芯片問(wèn)題導(dǎo)致的基站設(shè)備故障隱患，保障了基站在各種氣候條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，為 5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

六、未來(lái)展望