淺談對集成電路加速壽命試驗的認識

顏 燕，帥

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前言

從集成電路（IC）的誕生開始，不斷提升產(chǎn)品使用壽命一直是IC設(shè)計、制程研究開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)中的一個重要部分。在系統(tǒng)集成的電子信息時代，幾乎所有電子產(chǎn)品都由眾多不同種類的IC整合而成，任何一塊IC的質(zhì)量和可使用時間都影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至對系統(tǒng)造成毀滅性的后果，而使其他原本完好的電路也變成廢品。因此，集成電路的使用壽命是產(chǎn)品可靠性最重要的量化特征，體現(xiàn)了IC生產(chǎn)商的核心競爭力。

2 集成電路的可靠性指標

通常用于評價集成電路長期使用壽命的指標為MTTF（Mean Time To Failure，平均無故障時間），另一個常見的單位為FIT（Failure in Time），用于表征集成電路長期失效率，定義為每109元器件-小時（device-hour）所發(fā)生的失效數(shù)。二者互為反比關(guān)系，公式為MTTF=109/FIT。

自20世紀90年代初期亞微米的工藝制程，乃至2000年0.18μm的深亞微米工藝，集成電路不僅在面積上縮小了50倍以上，性能和應(yīng)用范圍也得到大幅提升，尤其是可靠性壽命也提升了一個量級，由數(shù)十個FIT達到了數(shù)個FIT。

圖1 集成電路預(yù)計壽命發(fā)展圖

3 集成電路的失效特征

集成電路的失效率與時間的關(guān)系可以用一條浴盆曲線（Bathtub Curve）來表示，見圖2。

圖2 集成電路失效“浴盆曲線”

大體上，集成電路的失效率分三個階段呈現(xiàn)不同特征。

3.1 早期失效期

這個階段產(chǎn)品的總體失效率相對偏高并快速下降，造成失效的原因在于IC設(shè)計和生產(chǎn)過程中的缺陷，比如離子沾污等，一般用PPM（Parts Per Million，百萬分之一）表示，該階段器件的失效率與時間的關(guān)系符合韋伯分布（Weibull Distribution）。

3.2 使用期

這個階段產(chǎn)品的失效率保持穩(wěn)定，失效的原因往往是隨機的，比如靜電放電（ESD）、電過載（EOS）或氧化層缺陷等，一般用FIT表示。該階段器件的失效率與時間的關(guān)系符合指數(shù)分布（Exponential Distribution）。

3.3 損耗期

在這個階段失效率會快速升高，失效的原因是產(chǎn)品的長期使用所造成的老化等，失效機理包括電遷移（EM）、熱載流子注入（HCI）等。一般以年為單位，并要求十年以上的損耗期。該階段器件的失效率與時間的關(guān)系符合對數(shù)正態(tài)分布（Lognormal Distribution）。

4 加速壽命試驗的意義

結(jié)合以上典型集成電路產(chǎn)品的生命周期，可見加速壽命試驗重點要解決的問題是：

（1）將處于早期失效期的產(chǎn)品去除，并估算產(chǎn)品良率；

（2）預(yù)計產(chǎn)品的使用壽命期限，查找失效原因，尤其是工藝、封裝、存儲等方面的失效原因。

針對上述兩點，主要進行兩項加速壽命試驗，包括老煉（Burn in）試驗、穩(wěn)態(tài)壽命（High Temperature Operating，簡稱HTOL）試驗，見圖2。

4.1 老煉試驗

老煉試驗有時也被稱為早期失效試驗（Early Fail Test，簡稱EFT），在國軍標GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法1015中對專用產(chǎn)品的試驗要求做了詳細規(guī)定。

老煉試驗的目的是評估工藝的穩(wěn)定性，加速缺陷失效速率。老煉試驗要求至少125℃、160h，并加偏壓的條件下對產(chǎn)品進行測試。測試結(jié)束后剔除由于先天原因引起的早期失效產(chǎn)品，并可供計算PPM。

4.2 穩(wěn)態(tài)壽命試驗

穩(wěn)態(tài)壽命試驗是評估器件長期使用失效率的方法，在國軍標GJB548B-2005方法1005中對專用產(chǎn)品的試驗要求做了詳細規(guī)定。另外MIL-PRF-38535規(guī)定，對每種晶圓工藝，從每季度生產(chǎn)的產(chǎn)品中抽取樣品進行至少125℃下進行1 000h或等效條件的測試，失效判據(jù)為45（0），見表1。

一般而言，通過125℃、1 000h試驗的產(chǎn)品可以保證持續(xù)使用4年，通過2 000h試驗的可保證持續(xù)使用8年；通過150℃、1 000h試驗的產(chǎn)品可以保證持續(xù)使用8年，通過2 000h試驗的可保證持續(xù)使用28年。當(dāng)然，這僅僅是對電性能而言，在儲存期較長且非真空包裝的情況下，更多需要考慮的還包括如何防止電路吸潮、引腳銹蝕等。

表1 穩(wěn)態(tài)壽命試驗等效試驗條件表

[1]謝國華. IC產(chǎn)品可靠度簡介[J].電子與材料，2002, 8.

[2]微電子器件試驗方法和程序[R]. GJB548B-2005.

[3]MIL-PRF-38535H. PERFORMANCE SPECIFICATION：INTEGRATED CIRCUITS（MICROCIRCUITS）MANUFACTURING[A]. United States Department of Defense. 2007.