一种低成本高效率的医疗传感器电子芯片IC高低温冷热环境冲击可靠性测试生产的应用技术方案

       近年来，随着全球人口老龄化、人们生活水平的提高及政府对医疗政策及投入的倾斜，全球医疗电子市场正经历着前所未有的飞速发展。根据权威机构最新数据显示，2016年全球医疗电子市场销售为2534.7亿美元，其中，中国医疗电子市场占11.48%，成为仅次于美国和欧洲的全球第三大医疗电子市场。

　　目前，中国医疗器械市场存在着巨大的缺口，据统计，全国医疗卫生机构现有的医疗仪器和设备中，有60%以上仍是上世纪 80 年代中期以前的产品，这意味着中国现存的大部分医疗器械设备需要更新换代，而其中应用于家庭和临床的便携式医疗电子产品更是成为医疗电子市场强劲增长的新领域。另外，我国医疗器械与药品的消费比例远远低于发达国家，因此，中国医疗电子市场潜力规模巨大。

　　电子技术的发展帮助人们成功制造出新型医疗电子设备。相对于消费类产品易于形成泡沫并快速破灭，医疗电子产品则是一个相对稳定的市场，虽然其从产品研发到认证的周期很长，但是，巨大的市场前景及稳定的回报吸引众多半导体厂商的参与，因此，医疗应用得以成为目前半导体市场增长最快速的领域之一。

       医疗电子市场对安全性的要求很高。从产品研发到认证的周期很长，不像玩具、消费电子等产品，一旦出现问题，将需要承担很大的责任。因此，医疗电子市场是一个稳定的市场，它不像消费类电子产品那样容易形成泡沫并快速破灭，虽然该产业的投资回报期较长，但它可能为参与者提供比其他商业领域更稳定和更持久的回报。

 

     

                图示：典型的MEMS压力传感器

       典型的传感器IC产品的生命周期可以用一条浴缸曲线（Bathtub Curve）来表示：

如上图示意, 集成电路的失效原因大致分为三个阶段：

    Region (I) 被称为早夭期（Infancy period）, 这个阶段产品的失效率快速下降，造成失效的原因在于IC设计和生产过程中的缺陷；

    Region (II) 被称为使用期（Useful life period）, 这个阶段产品的失效率保持稳定，失效的原因往往是随机的，比如温度变化等等；

    Region (III) 被称为磨耗期（Wear-Out period） 这个阶段产品的失效率会快速升高，失效的原因就是产品的长期使用所造成的老化等。

根据试验等级分为如下几类：

一、电气性能测试项目（Life test items）

早期失效等级测试（ Early fail Rate Test ）
目的：评估工艺的稳定性，加速缺陷失效率，去除由于天生原因失效的产品
测试条件：在特定时间内动态提升温度和电压对产品进行测试
失效机制：材料或工艺的缺陷，包括诸如氧化层缺陷，金属刻镀，离子玷污等由于生产造成的失效
HTOL/ LTOL：高/低温操作生命期试验（High/ Low Temperature Operating Life ）
目的：评估器件在超热和超电压情况下一段时间的耐久力
测试条件: 125℃，1.1VCC, 动态测试
失效机制：电子迁移，氧化层破裂，相互扩散，不稳定性，离子玷污等
参考数据：
125℃条件下1000小时测试通过IC可以保证持续使用4年，2000小时测试持续使用8年；150℃ 1000小时测试通过保证使用8年，2000小时保证使用28年
二、冷热环境测试项目（Environmental test items）
高加速温湿度及偏压测试（HAST: Highly Accelerated Stress Test ） 
目的：评估IC产品在偏压下高温，高湿，高气压条件下对湿度的抵抗能力，加速其失效过程
测试条件：130℃， 85%RH, 1.1 VCC, Static bias，2.3 atm
失效机制：电离腐蚀，封装密封性
TCT：高低温循环试验（Temperature Cycling Test ）
目的：评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。方法是通过循环流动的空气从高温到低温重复变化
测试条件：
Condition B:-55℃ to 125℃
Condition C: -65℃ to 150℃
失效机制：电介质的断裂，导体和绝缘体的断裂，不同界面的分层
TST：高低温冲击试验（Thermal Shock Test ）
目的：评估IC产品中具有不同热膨胀系数的金属之间的界面的接触良率。方法是通过循环流动的液体从高温到低温重复变化
测试条件：
Condition B: - 55℃ to 125℃
Condition C: - 65℃ to 150℃
失效机制：电介质的断裂，材料的老化（如bond wires）, 导体机械变形
TCT与TST的区别在于TCT偏重于package 的测试，而TST偏重于晶园的测试
三、周期耐用测试项目（Endurance test items ）

周期耐久性测试（Endurance Cycling Test ）
目的：评估非挥发性memory器件在多次读写算后的持久性能
Test Method：将数据写入memory的存储单元，在擦除数据，重复这个过程多次
测试条件：室温，或者更高，每个数据的读写次数达到100k~1000k
数据保持力测试（Data Retention Test）
目的：在重复读写之后加速非挥发性memory器件存储节点的电荷损失
测试条件：在高温条件下将数据写入memory存储单元后，多次读取验证单元中的数据
 

        要进行上面这些实验，需要选用专用的控温设备来进行实验条件的搭建与模拟。选用符合要求的、性能良好的设备能大大有助与我们有关医疗芯片项目的前期开发与结果论证。下面我列举一下目前市场上经常使用的控温设备的类型，还有其使用条件限制的缺点与应用环节。

一、高低温老化实验箱

        高低温老化实验箱是最常用的也是使用条件最普遍的温度环境获取设备。其原理相当于是一个工业空调，所以其优点是价格便宜、构造简单、箱内空间大；然而也导致了其具有很多低端属性，比如：温度误差大、温度一致性差、实现精度小、升降温速度慢。

二、冷热冲击气流机

      

       气流机输出气流罩将被测试品罩住，形成一个试验腔，试验机输出的高温或低温气流对着产品吹，使被测试品表面温度发生变化，从而完成相应的高低温试验。与上图中所描述的传统老化实验箱相比，优点是升降温速度快，使用方式灵活；缺点是被测产品的空间不密闭、无法进行微压差数据较准、温度精度不高、噪音大、价格非常昂贵。

三、超快速温度冲击控温台

       

        针对目前医疗电子产品的应用场合，使用专业的控温设备成了必须要面对的境况。根据我们参考的位于国家集成电路产业基地的无锡旗晟智能科技有限公司针对以往项目经验、综合考虑医疗产品的使用条件，推出的QT100型超快速温度控温台。一般来说集成电路半导体三温快速温变测试验流程如下：试验过程是以常温→低温→低温停留→高温→高温停留→常温作为一个循环，温度循环试验的严苛程度是以高/低温度范围、停留时间以及循环数来决定的。QT100型控温台其主要参数集中列举如下：

温度控制范围：-20℃~+120℃

温度冲击速度：-10℃~+120℃ ≤200s（约30℃/分钟）

工作SITE：静音工作、密闭腔体

温度控制精度：0.1℃

温度偏差：测试品恒定在0℃时,温度波动偏差为±0.1℃

通讯方式：RS232/RS485/Ethernet

软件联机支持：LABVIEW 2018 / VC C++

       超快速温度冲击控温台完美的解决了高低温老化实验箱、冷热冲击气流机的缺点。其工作仓大小为65mm(长)X65mm(宽)X30mm(高)，工作实验仓外开放了各种接线与接气的接口，密闭工作仓可以进行高精度的信号采集与测量计算。升降温速度极快（约30度每分钟）、精度0.1度，且上下波动±0.1℃，适合精密的IC传感器等集成电路产品进行立项验证、工程批试产、小批量生产等多种场合。且KIT支持定制与更换，可更换工装治具KIT去兼容多款试验产品。整体设备只有工具箱大小，集成度高且便携，价格也便宜。可通过联接控温台的Ethernet以太网口，实现电脑程序远程智能控制与监控控温台的运行。

        后面有时间还会专门写一期关于医疗产品高低温冲击测试机QT100的功能介绍。感兴趣的朋友可以翻看我最新一期的文章。传统的消费类半导体行业也将带动医疗电子朝着医疗消费类方向发展，市场还没有真正意义上的起步，现在开始布局这一产业，也许这也是一个非常大的机会。同时感谢集成电路设计、半导体方案、IC传感器测试 的朋友共同探索该领域的发展方向并一起交流在测试工艺这方面的流程和测试生产项目的解决方案，谢谢阅读本文章并关注我，不定期更新相关博客！