一、測試目的

1. 驗證高溫適應性：確保芯片在高溫環境中不出現功能失效、性能衰退或物理損壞（如電路燒毀、封裝融化等）。

2. 暴露熱設計缺陷：通過高溫加速暴露芯片散熱設計、材料耐高溫性或工藝缺陷（如熱應力集中、焊料融化等）。

3. 符合車規標準：滿足汽車電子行業（如 AEC-Q100、ISO 16750-2 等）對芯片耐高溫性能的強制要求，確保芯片適用于車載高溫場景（如引擎艙、功率模塊附近）。

二、測試設備與原理

1. 主要設備：高溫試驗箱（烘箱）

• 結構特點：

• 具備高精度溫控系統，可模擬恒定高溫環境（如 85℃~175℃），部分設備支持濕度加載（如高溫高濕測試）。

• 箱內溫度均勻性通常控制在 ±2℃以內，支持長時間連續運行（數百至數千小時）。

• 核心參數：

• 溫度范圍：常見為 - 70℃~200℃，車規測試高溫端通常為 125℃、150℃或更高（如 Grade 0 標準下的 175℃）；

• 升溫速率：可設定為 5℃/min~20℃/min，部分設備支持快速升溫。

2. 測試原理

• 恒定高溫暴露：
  芯片樣品在設定高溫下持續工作或靜置，通過監測其電氣性能（如電壓、電流、邏輯功能）和物理狀態（如外觀變形、焊點融化）評估可靠性。

• 高溫工作測試：
  模擬芯片在高溫下的實際負載場景（如滿負荷運行），檢測其是否因發熱導致性能下降（如頻率降頻、信號延遲增加）。

• 失效判定依據：

• 電氣性能：超過規格書規定的閾值（如工作電壓波動 ±5%、時鐘頻率偏差 ±1%）；

• 物理損壞：封裝材料碳化、引腳氧化、芯片內部短路等。

三、測試標準與流程

1. 行業標準

• AEC-Q100（汽車電子可靠性標準）：

• 芯片在非工作狀態下暴露于高溫（如 150℃、175℃）中存儲 1000 小時，驗證材料長期耐高溫能力。

• 要求芯片在最高工作溫度（如 125℃、150℃）下持續運行 1000 小時以上，期間定期檢測電氣性能。

• 高溫工作壽命測試（High Temperature Operating Life, HTOL）：

• 高溫存儲測試（High Temperature Storage, HTS）：

• 其他標準：

• ISO 16750-2：規定車載電子設備的高溫工作極限（如引擎艙內設備需耐受 125℃）；

• JEDEC J-STD-033：半導體器件的高溫烘焙處理標準（用于濕度敏感度測試前的預處理）。

2. 測試流程

1. 樣品準備：

• 芯片需完成封裝（如 BGA、LGA 等）并焊接至測試夾具或 PCB 板，部分測試需模擬實際應用中的散熱條件（如安裝 heatsink、涂覆導熱硅脂）。

2. 初始檢測：

• 測試前進行全功能電氣性能測試，記錄初始數據（如功耗、信號完整性）。

3. 高溫測試執行：

• 案例 1：HTOL 測試

  階段	溫度	持續時間	檢測頻率
  高溫工作	125℃	1000 小時	每 24 小時抽檢

• 案例 2：高溫存儲測試

  階段	溫度	持續時間	檢測節點
  高溫存儲	150℃	1000 小時	0 小時、500 小時、1000 小時（檢測外觀及電氣性能）

4. 中間及最終檢測：

• 測試中定期抽檢（如每 100 小時），測試結束后進行全面電氣性能測試和物理分析（如 X 射線檢測焊點、SAM 掃描檢測分層）。

5. 失效分析：

• 若出現性能異常或物理損壞，通過紅外熱成像、能譜分析（EDS）等手段定位原因（如芯片結溫超標、封裝材料熱降解），并推動設計改進（如優化熱傳導路徑、更換耐高溫封裝材料）。

四、常見失效模式與原因

1. 電氣失效：

• 晶體管退化：高溫加速半導體器件老化，導致閾值電壓漂移、漏電流增加；

• 互連失效：金屬導線（如鋁、銅）在高溫下發生電遷移（Electromigration），形成開路或短路；

• ESD 保護失效：高溫下靜電防護結構性能下降，導致芯片易受瞬態電壓沖擊。

2. 物理失效：

• 封裝變形 / 融化：環氧樹脂基封裝材料玻璃化轉變溫度（Tg）不足，導致高溫下軟化或開裂；

• 焊點失效：焊料（如 SnPb）在高溫下發生蠕變，或與引腳金屬間形成脆性金屬間化合物（IMC）層；

• 芯片裂紋：芯片與封裝基板熱膨脹系數不匹配（CTE 失配），導致熱應力集中開裂。

3. 熱管理失效：

• 散熱設計不足（如熱沉面積過小、導熱路徑斷裂），導致芯片結溫（Tj）超過額定值（如 datasheet 規定的 Tjmax=150℃）。

五、測試的關鍵影響因素

1. 芯片結溫（Tj）控制：

• 結溫是衡量芯片耐高溫能力的核心指標，需通過熱仿真（如 ANSYS Icepak）和實測（如紅外測溫、熱電偶）確保測試中 Tj 不超過設計極限。

2. 散熱條件模擬：

• 測試夾具需盡可能還原芯片在車內的實際安裝方式（如與金屬底板接觸、周圍元件布局），避免因散熱差異導致測試結果失真。

3. 長期老化效應：

• 高溫測試需足夠長的持續時間（如 1000 小時），以模擬芯片在車輛生命周期內（約 10 年）的累積老化效應。

六、技術發展趨勢

1. 更高溫測試需求：

• 隨著新能源汽車（如 SiC 功率器件、800V 高壓平臺）的普及，車載芯片需耐受更高溫度（如 175℃以上），推動測試標準向 Grade 0 + 升級。

2. 原位實時監測：

• 采用片上溫度傳感器或光纖測溫技術，在高溫測試中實時監測芯片局部溫度分布，精準定位熱點區域。

3. 熱 - 電耦合測試：

• 結合高溫環境與動態電負載（如脈沖電流、高頻信號），模擬芯片在工況下的綜合性能（如高溫下的功耗 - 溫度反饋效應）。