集成电路老炼试验条件分析及优化.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言元器件生产厂商生产出的同一批产品，可能由于设计材料、生产工艺过程中的问题而产生固有缺陷，导致同一批产品中各个元器件的可靠性并不相同。在后续装机应用中，随着时间的延长，在工作环境应力作用下，元器件会出现早期失效，即浴盆曲线的早期失效期。为提高元器件装机应用的使用可靠性，需开展元器件老炼试验。依据标准规范，给受试电子元器件施加规定时间的电应力与温度应力1，以激活早期缺陷，剔除存在缺陷且可能导致早期失效的元器件。国外针对高可靠性工程领域制定的集成电路老炼试验方法为MILSTD883方法1015，随着商用货架产品在航空航天、武器装备等领域的应用，国外相关单位提出了针对性要求，如美国国家航宇局（NASA）提出的EEEINST002 EEE器件选择、筛选和质量鉴定指南 和PEMINST001 塑封器件选择、筛选和质量鉴定指南。国内针对分立器件和集成电路老炼试验分别制定了相关标准规范，其中分立器件功率老炼是参照DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.011引用格式：高会壮，王长鑫，陈波，等.集成电路老炼试验条件分析及优化J.现代电子技术，2023，46（18）：5760.集成电路老炼试验条件分析及优化高会壮1，王长鑫1，陈 波1，张 虹1，徐志阳2（1.航天科工防御技术研究试验中心，北京 100039；2.中国航天科工集团第二研究院发展计划部军用产业发展处，北京 100039）摘 要：主要从元器件老炼试验入手，依据寿命分布和反应速率理论，分析元器件老炼试验的原理和目的，并重点基于目前相关标准及研究成果，分析老炼试验条件的设置要素。结合目前国内外元器件整体质量水平及激活能的现状，分析各自标准条件下老炼试验时间的优化途径及参考结果。从理论依据和实际操作方法出发，对典型国内外集成电路老炼试验条件进行分析。以元器件稳态寿命试验结果为特征寿命值参考，论证确定老炼试验条件的方法。分析得出：在125 条件下，激活能为0.6 eV的器件老炼时间可控制在96 h之内；激活能取0.55 eV，则老炼时间在149 h之内。另外，对目前国内相关标准规范进行研究，针对现行试验条件提出优化方法。关键词：老炼试验；集成电路；元器件；稳态寿命试验；激活能；老炼时间；特征寿命中图分类号：TN40634 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18005704Analysis and optimization of integrated circuit aging test conditionsGAO Huizhuang1,WANG Changxin1,CHEN Bo1,ZHANG Hong1,XU Zhiyang2(1.China Aerospace Science Industry Corporation Defense Technology R&T Center,Beijing 100039,China;2.Military Industry Development Division of Development Planning Department,the Second Institute of China Aerospace Science and Industry Corporation,Beijing 100039,China)Abstract：Starting from the aging test of components,the principle and purpose of aging test of components are analyzed based on the theory of life distribution and reaction rate,and the key factors for setting aging test conditions are analyzed based on current relevant standards and research results.In combination with the status quo of the overall quality level and activation energy of domestic and foreign components,the optimization methods and reference results of aging test time under the respective standard conditions are analyzed.Based on the theoretical basis and practical operation method,the conditions of typical domestic and foreign intergated circuit aging test are analyzed.The method of determining aging test conditions is verified by using the steadystate life test results of components as a reference for characteristic life values.The analysis results show that under the condition of 125,the aging time of components with activation energy of 0.6 eV can be controlled within 96 h;If the activation energy is 0.55 eV,the aging time is within 149 h.Furthermore,the relevant domestic standards are studied and the optimization method is proposed according to the current test conditions.Keywords：aging test;integrated circuit;component;steadystate life test;activation energy;aging time;characteristic life收稿日期：20230504 修回日期：202305315757现代电子技术2023年第46卷GJB 128A方法 1038、1039、1042执行，集成电路老炼按照 GJB 548B 方法 1051.1 执行2。老炼试验是一种非破坏性试验，能够诱发器件内部的潜在缺陷出现失效现象，而不改变其失效分布，也不会引入不同的失效机理。根据一般要求，所有器件在交付给用户前，都应该进行老炼试验，通过筛选提高器件的使用可靠性，但这并不能提高单个电路的固有可靠性。在老炼试验中，具体施加的试验应力应当参考器件的可靠性要求，考虑可能出现的失效机理进行确定，所采用的试验应力通常高于使用的应力水平3。在军用、民用等多个领域，用户对系统可靠性的要求不断提高，老炼试验作为保证器件使用可靠性的重要手段，越来越受到重视。但老炼试验过程中长时间施加的过应力可能对正常器件也造成影响；另外，老炼试验也会增加器件生产应用的成本。为更加准确地确定老炼时间，在保证有效剔除早期失效器件的同时尽可能地降低成本，本文重点围绕老炼试验条件优化开展分析。1 老炼试验的原理集成电路常见的失效模式有封装失效、键合失效、芯片裂纹和参数漂移等4。老炼试验前期需对集成电路的失效模式开展分析，按照动态老炼和静态老炼的不同作用及应用范围确定具体试验条件，实现有效激发不同失效模式的目的。集成电路老炼试验主要分为静态老炼和动态老炼。动态老炼对可动离子引起的反型、氧化层缺陷、晶格缺陷、扩散光刻缺陷等失效模式激发效果明显，对表面沾污、划伤、电腐蚀、电迁移、压点位置形状差、虚焊、似断非断的键合、金属间化合物、芯片裂纹、密封欠佳、参数漂移等失效模式也有一定效果；反偏老炼对可动离子引起的反型尤其敏感，对表面沾污、电腐蚀、参数漂移、近临界参数测试等失效模式有一定效果。动态老炼试验采用动态激励方式模拟元器件的实际应用，使受试元器件处于最大额定工作条件或以上。电源拉偏、输入端接入动态激励信号、输出端采用最大负载电阻以满负荷工作状态考核输出能力。静态老炼试验采用恒定应力，包括恒定温度和恒定电压，使受试元器件处于稳定的正常工作条件下5。静态老炼试验的主要目的是激发与杂质沾污有关的失效，加速暴露器件内部存在的潜在缺陷，如沟道缺陷、参数漂移和介质绝缘层等6，对简单电路的激活效果更为明显。2 老炼试验的理论基础元器件发生失效的内在原因为构成其最小物质（如原子、分子等）的化学和物理反应，而导致出现电迁移、击穿、腐蚀等失效现象。老炼试验主要依据为经典反应速率理论，内部物理、化学反应随着电、热等应力的增加而加速。在实际工程研究中，最常用的是与热应力相关的Arrhenius模型。在老炼试验加速模型中主要关注激活能（Ea）和加速因子（A）两个参数。激活能是指将器件的潜在缺陷激发为失效所需的能量，即发生失效时必须达到的能量门限3。加速因子定义为器件处于老炼应力和正常应力下，达到同一失效率分别花费时间的比率。在集成电路老炼试验中，常使用温度应力加速因子(AT)和电应力加速因子(AV)。试验中施加的应力越大，加速因子也相应的越大，元器件的失效速度也就越快，也就能使器件越早进入浴盆曲线中的偶然失效期。在静态老炼试验中电压一般为器件标准电压，故电压加速因子AV为1，只考虑温度加速因子AT，于是得到：t()T=tAT eEaK(T-11-T-12)（1）式中：t()T为工作寿命，单位为 h；T1与 T2分别为正常工作和老炼条件下的芯片温度。而面对动态老炼，则需同时考虑电应力和热应力两方面因素，公式如下：A=eEaK(T-1U-T-1A)+VEF(VA-VU)（2）t()T=tAeEaK()T-11-T-12+VEF(VA-VU)（3）式中：VEF为常数；VA与VU为偏压的正常工作电压。电应力可以使器件内部晶体管工作，使电路温度升高，动态老炼相比静态老炼，电应力拉偏造成的芯片功率更高，导致结温更高。电应力和热应力的影响最终都可以通过电路芯片温度的高低来表现，故本文主要通过温度加速因子进行分析。3 老炼试验时间的确定3.1 老炼试验条件分析针对需要进行老炼的器件，首先确定对应的老炼条件，包括老炼温度和时间。一般在确定条件时需综合考虑性能及成本，为尽可能实现高性价比，明确合适的老炼时间非常重要。假设器件的失效率符合浴盆曲线，早期失效期与偶然失效期转折点为 t1，偶然失效期与损耗失效期转折点为 t2。若仅考虑器件性能的影响，不考虑任何成本因素情况下，老炼后得到的器件整体平均寿命最高。结合浴盆曲线中经过 t1转折点后失效率基本为常数，继续老炼试验没有意义，故老炼时间应控制在 t1之前。关注成本之后，需要综合成本方程进行判断，本文经过相关研究，最终结论也为老炼时间小于第一转折58第18期点时间。3.2 集成电路寿命分布及条件假设集成电路失效分布模型一般采用威布尔分布，相关失效分布函数、失效密度函数、失效率函数为：F()t=1-e-(t )m（4）f()t=m()tm-1e-(t )m（5）()t=mmtm-1（6）式中：m为形状参数；为特征寿命。当 m1时，分布曲线单调上升，符合损耗失效期。根据有关研究，集成电路早期失效期的m值为0.20.6。本文中取 m=0.5，表示产品整体寿命情况。对于同一款元器件而言，相应失效机理、激活能等参数是定值，故为保证进行老炼试验而不造成器件本身工作寿命减小，需找到拐点时间。根据一般经验，经过老炼试验，假设失效率目标值为10-6量级，本文中设定当失效率达到 9.9910-6时，对应的时间点为拐点时间。对于，需要根据器件的整体寿命指标进行计算。根据美军标中给出的参考值，集成电路的激活能Ea为0.50.7 eV。为确定某器件的特征寿命和激活能Ea，一般需开展加速寿命试验，获取不同样品在不同加速应力下的特征参数退化数据；再利用退化方程拟合，计算各应力条件下各样品的伪寿命数据，确定伪寿命分布函数，计算各应力条件下的平均寿命。利用加速模型推算常温工作寿命，进而可计算得到Ea。本文为计算方便，进行如下假设：1）根据美军标、国内相关标准中要求，一般军用集成电路需通过 1 000 h、125 的稳态寿命试验，对应器件的值大于该条件下计算的常温等效工作寿命；2）参考国外相关数据，激活能取Ea=0.6 eV；3）本文以集成电路为例开展老炼试验条件分析，假设一般正常温度下芯片正常工作温度为 50，即PJA=25；则如果老炼条件为 125 时，芯片温度可达到150。3.3 以稳态寿命为参考值的分析根据假设，考虑满足 1 000 h、125 的稳态寿命条件元器件，取 为最小值，计算得到 25 下等效工作寿命为163 120 h，则为163 120 h。代入失效率函数，拟合曲线如图1所示。从图 1中可以看出，随着工作时间的延长，早期失效率逐渐下降，为使失效率达到规定的10-6量级，经过数据分析，t=15 637 h，(t)=9.910-6，故在常温条件下早期失效期拐点为 15 637 h。代入加速模型中，得到125 条件下老炼时间为96 h。综上，针对满足1 000 h、125 寿命试验要求的集成电路，为使元器件达到目标失效率，需进行 96 h、125 老炼试验。此结果只考虑元器件满足 1 000 h稳态寿命试验的情况，但事实上目前应用的元器件工作寿命比1 000 h、125 稳态寿命试验评定的更长。图1 失效率函数拟合曲线再以能够满足1 500 h、125 稳态寿命条件进行分析。计算得到 25 下等效工作寿命为 244 681 h，故 取 244 681 h。代入失效率函数进行计算，为使 达到规定的 10-6量级，t=10 424 h，(t)=9.910-6，故在常温条件下早期失效期拐点为10 424 h。代入加速模型中，得125 时的老炼时间为 64 h。以能够满足 2 000 h、125 稳态寿命条件进行分析，计算得到 25 下等效工作寿命为 326 241 h，故 取 326 241 h。代入失效率函数进行计算，为使 达到规定的 10-6量级，t=7 818 h，(t)=9.910-6，故 在 常 温 条 件 下 早 期 失 效 期 拐 点 为7 818 h。代入加速模型中，得到125 下老炼时间为48 h。综上所述，激活能为0.6 eV的器件老炼时间可控制在 4896 h 之间。由于目前国内器件工艺水平存在一定差距，激活能略小于国外器件值，因此在相同温度条件下，试验时间应延长，具体需根据器件特征寿命进行确定。随着目前元器件设计制造技术的发展，激活能也逐渐提高，取0.7 eV。同时，面向高可靠应用要求，目标失效率值也需下调，这里假设目标失效率为 510-6，则在 1 000 h寿命试验和2 000 h寿命试验下，常温条件下早期失效期拐点分别为26 226 h和13 113 h。代入加速模型中，得到125 时的老炼时间为68 h和34 h。3.4 基于应用要求的分析在满足稳态1 000 h、125 条件，激活能为0.6 eV，失 效 率 要 求(t)=9.910-6时，对 应 特 征 寿 命 已 达 到163 120 h，约 18.6年。在具体应用中，设备都会提出具体寿命要求，如寿命不低于 2025年，假设应用要求为器件寿命 （实际偏小），则随着时间逐渐增加，对应要高会壮，等：集成电路老炼试验条件分析及优化59现代电子技术2023年第46卷求选用的器件寿命也会延长，可靠性也相应提高，对应老炼时间将缩短。具体老炼时间安排如表1所示。表1 老炼时间安排可保证元器件寿命/年202122232425老炼时间/h898581777471由以上分析可知：同一质量等级器件，用于有高可靠要求的任务时，器件的老炼时间相对较长，从而使目标失效率值更低；用于普通任务时，器件的老炼时间相对较短。对于同一任务，低质量等级器件比高质量等级器件特征寿命短，所需的老炼时间更长。4 老炼试验条件优化目前国内实际老炼试验采用的标准为 GJB 548B2005，本文主要以 B级器件 AE试验条件为例，具体条件如表2所示。表2 GJB 548B中B级器件试验条件最低温度（TA）/125130135140145150最少时间/h1601381201059280试验条件AE根据前文分析发现，为确定合适老炼试验时间，重点需明确对应元器件激活能和特征寿命。总体而言，目前普通 B级器件特征寿命可能介于 1 0002 000 h稳态寿命之间，为确保器件装机的可靠性，则采用1 500 h稳态寿命为特征寿命。根据国内单片集成电路寿命试验相关研究，激活能处于略低于进口器件的 0.6 eV之间，故本文取 0.55 eV，芯片工作温升为 25。当试验温度为125 时，老炼时间为149 h；当试验温度为130 时，老炼时间为105 h。如果目前应用元器件能够满足最小特征寿命值（2 000 h、125 稳态寿命试验）要求，则在125 条件下，老炼时间可缩短为112 h。5 结 论元器件老炼试验条件的确定首先要明确早期失效期到偶然失效期的拐点时间，一般先设定失效率目标值，根据寿命分布和反应速率理论分析老炼试验最优时间。本文主要从理论依据和实际操作方法出发，以元器件稳态寿命试验结果为特征寿命值参考，对典型国内外集成电路老炼试验条件进行分析，得出激活能为0.6 eV的器件老炼时间可控制在 96 h（125）之内；激活能取0.55 eV，则老炼时间为 149 h（125）之内。同时对目前国内相关标准规范进行研究，针对现行试验条件提出优化方法。参考文献1 王茉.军用集成电路老炼筛选技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.2 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