# 「5G 芯片可靠性驗證」快速溫變試驗箱在半導體行業(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，對可靠性提出了高要求。半導體制造工藝復雜，芯片在不同環(huán)境條件下的性能穩(wěn)定性關(guān)乎整個 5G 通信系統(tǒng)的成敗。快速溫變試驗箱憑借其精準模擬極-端溫度環(huán)境的能力，成為 5G 芯片可靠性驗證關(guān)鍵設(shè)備，為保障芯片質(zhì)量、推動 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、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)常溫迅速過渡到戶外高溫或低溫環(huán)境，而不會出現(xiàn)性能衰退、失效等問題。

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、信號傳輸?shù)热蝿?wù)，功耗較高，會產(chǎn)生大量熱量。但由于芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，不同區(qū)域散熱條件各異，容易形成局部過熱現(xiàn)象。同時，當設(shè)備從高負荷運行轉(zhuǎn)為低負荷或待機狀態(tài)時，溫度又會快速下降，這種頻繁的自身熱循環(huán)對芯片材料、焊點等部件的可靠性帶來嚴峻考驗。

三、快速溫變試驗箱的工作原理及優(yōu)勢

1. 工作原理

• 基于制冷與制熱技術(shù)，快速溫變試驗箱內(nèi)部配備強大的制冷系統(tǒng)（如壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器等）和加熱系統(tǒng)（通常為電加熱絲）。通過可編程控制器（PLC）精確調(diào)控制冷制熱功率，結(jié)合高效的空氣循環(huán)風機，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，精準模擬各種復雜的溫度變化曲線。

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

2. 優(yōu)勢

• 精準控溫：采用高精度的溫度傳感器（如熱敏電阻、熱電偶）多點分布于箱內(nèi)，實時監(jiān)測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)，一般能達到 ±0.5℃甚至更高精度，滿足芯片對溫度精度的苛刻要求。

• 快速溫變能力：區(qū)別于傳統(tǒng)的恒溫恒濕試驗箱，快速溫變試驗箱具備強的升降溫速率，高可達每分鐘數(shù)十攝氏度，能夠高度逼真地重現(xiàn)芯片在實際使用中面臨的快速溫度切換場景，有效檢測芯片在急冷急熱環(huán)境下的性能變化。

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

四、在 5G 芯片可靠性驗證中的具體應(yīng)用

1. 材料特性測試

• 將芯片裸片或封裝后的芯片樣品置于試驗箱內(nèi)，按照設(shè)定的溫度循環(huán)程序運行。通過監(jiān)測芯片在不同溫度下的電學參數(shù)（如電阻、電容、漏電流等）變化，評估芯片制造所使用的半導體材料（如硅、砷化鎵等）、封裝材料（如環(huán)氧樹脂、陶瓷等）在溫度應(yīng)力下的穩(wěn)定性，判斷材料是否會出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)不匹配導致的開裂、分層等缺陷。

2. 焊點可靠性評估

• 針對芯片與封裝基板之間的焊點，快速溫變試驗箱模擬芯片在實際使用中的溫度波動。高溫下焊點材料軟化，低溫下又收縮，經(jīng)過多個溫變周期后，利用 X 射線檢測、金相分析等手段檢查焊點是否有開裂、虛焊等失效形式，確保芯片在長期使用過程中的電氣連接可靠性。

3. 芯片功能完整性驗證

• 在試驗箱內(nèi)，讓芯片處于不同的溫度階段，同時通過外部測試設(shè)備向芯片輸入模擬信號，監(jiān)測芯片輸出信號的準確性與穩(wěn)定性。例如，驗證 5G 芯片在低溫環(huán)境下的信號接收靈敏度、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. 某半導體企業(yè)在研發(fā)新一代 5G 芯片過程中，引入快速溫變試驗箱進行可靠性驗證。在為期三個月的密集測試中，針對芯片的不同封裝形式、不同功能模塊設(shè)計了多套溫變測試程序。通過試驗發(fā)現(xiàn)并解決了幾處潛在的焊點可靠性問題，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，同時確保了產(chǎn)品推向市場后的穩(wěn)定性，提高了品牌聲譽。

2. 在一家 5G 基站設(shè)備制造商的質(zhì)量管控環(huán)節(jié)，快速溫變試驗箱作為關(guān)鍵檢測手段，對每批次采購的 5G 芯片進行入廠抽檢。經(jīng)過嚴格的溫度可靠性測試，淘汰了一批在高溫環(huán)境下存在功能異常的芯片，避免了因芯片問題導致的基站設(shè)備故障隱患，保障了基站在各種氣候條件下的穩(wěn)定運行，為 5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署奠定了堅實基礎(chǔ)。

六、未來展望