老化試驗(yàn)中溫度變化問題探討

馮 建，胡 波，邢宗鋒，羅 俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

隨著集成電路技術(shù)高度發(fā)展，其功能越來越強(qiáng)大，對(duì)可靠性試驗(yàn)要求越來越高，試驗(yàn)條件越來越嚴(yán)酷。在動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)中，其目的為了篩選或者剔除有缺陷和有潛在缺陷的元器件。這些缺陷大概有兩種[1]:一類是質(zhì)量缺陷如芯片裂紋、表面粘附粒子等等；另一類是潛在的缺陷，如焊接空洞。為了讓潛在的缺陷及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，需要對(duì)芯片施加應(yīng)力在老化環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。在動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)中，烘箱的溫度過低不足以暴露出器件的缺陷，溫度過高會(huì)使電路熱電應(yīng)力失效。集成電路的溫度老化試驗(yàn)?zāi)Ｐ头南铝泄獳rrhenius[2](阿倫尼烏斯) 方程:

式中R(T) 是溫度T(為絕對(duì)溫度K) 時(shí)的反應(yīng)速率，A為一系數(shù)，Ea 為對(duì)應(yīng)的反應(yīng)激活能，k為玻爾茲曼常數(shù)[3]。溫度T越高，R(T) 越大，器件失效的越快，失效率越高，器件的工作時(shí)間也越短。因此研究烘箱內(nèi)溫場(chǎng)變化使電路在控制溫度范圍內(nèi)進(jìn)行老化、壽命，避免電路在失控的溫度內(nèi)進(jìn)行老化、壽命，在實(shí)際工作中有著非常重要的意義。

本文通過對(duì)老化試驗(yàn)工作中出現(xiàn)的試驗(yàn)箱內(nèi)溫場(chǎng)分布不均勻，局部溫度過高的現(xiàn)象進(jìn)行分析，利用統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法找出了溫場(chǎng)變化的原因，并提出改進(jìn)方案，使電路能正常進(jìn)行老化、穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)。

1 烘箱溫場(chǎng)效應(yīng)影響因素分析

試驗(yàn)箱使用的是CS101-1EBN型電熱干燥箱，進(jìn)行老化試驗(yàn)的器件分為非功率器件和功率器件。

1.1 老化電路數(shù)量與溫度變化的分析

非功率器件，老化環(huán)境溫度為125℃，選取烘箱內(nèi)部中心位置為測(cè)試溫度點(diǎn)，以50只為單位，逐步遞加觀察溫度變化情況。烘箱溫度數(shù)據(jù)變化如表1。

表1 非功率電路數(shù)量與溫度變化情況

表2 功率電路數(shù)量與溫度變化情況

小功率器件：溫度設(shè)置為81℃，試驗(yàn)電路數(shù)量5只、12只、20只、22只，監(jiān)測(cè)烘箱內(nèi)部老化板上方中心位置溫度。電路數(shù)量與溫度數(shù)據(jù)變化情況見表2。

分析：非功率器件和小功率器件隨著電路數(shù)量的增加，烘箱內(nèi)的溫度沒有明顯的變化。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)老化的電路在測(cè)試點(diǎn)上方即老化電路沒有在風(fēng)道和測(cè)試點(diǎn)間形成阻隔時(shí)，溫度變化梯度較小，當(dāng)電路的數(shù)量增多，測(cè)試點(diǎn)的吹風(fēng)受到阻隔后，溫度梯度變化增大。

非功率器件由5 0 只增加到2 0 0 只，溫度變化了1.3℃，小功率器件由5只增加到22只，溫度變化了2.2℃，通過以上數(shù)據(jù)分析，同一烘箱中的電路數(shù)量的多少不是影響烘箱溫度變化的主要因素。

1.2 電路功率與溫度變化的關(guān)系

以功率器件DC/DC電源為試驗(yàn)對(duì)象，溫度設(shè)置為80℃，試驗(yàn)電路功率65W（1只）逐漸遞增到455W（7只），監(jiān)測(cè)烘箱內(nèi)部老化板上方中心位置溫度。通過一段時(shí)間的監(jiān)控分析，大致可得到功率與烘箱內(nèi)部溫度的變化趨勢(shì)關(guān)系如圖1。

根據(jù)對(duì)功率數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)，可以粗略的估算出，在不考慮其它因素的情況下，CS101-1EBN型電熱干燥箱的最大散熱能力見圖2。

以烘箱內(nèi)電路功率達(dá)到455W比設(shè)定溫度高出6.2℃為基準(zhǔn)推算，當(dāng)總功率達(dá)到500W時(shí)，（模擬方法曲線覆蓋500W），超過國(guó)軍標(biāo)的最大容差要求（8℃或8%）。

通過以上數(shù)據(jù)分析，功率器件在老化工作時(shí)，必然產(chǎn)生耗散功率，以熱能的形式輻射到環(huán)境中。如果烘箱沒有良好的散熱方式，必然老化烘箱內(nèi)的環(huán)境溫度會(huì)隨功率增加而升高。當(dāng)耗散功率的發(fā)熱量超過烘箱的散熱能力時(shí)，烘箱溫度將會(huì)出現(xiàn)急劇變化的情況。因此，同一烘箱中的電路加電功率的多少是影響烘箱溫度變化的主要因素之一。

1.3 烘箱內(nèi)風(fēng)速與溫度關(guān)系

為了測(cè)試烘箱內(nèi)承載板和老化板對(duì)風(fēng)速的影響。在烘箱內(nèi)依次加入一、兩、三塊承載板和老化板，分別測(cè)試承載板和老化板上方外面、中間、里面的風(fēng)速。通過測(cè)試，烘箱內(nèi)擱置不同數(shù)量承載板和老化板后，各監(jiān)控點(diǎn)風(fēng)速變化情況如表3。

圖1 功率與烘箱內(nèi)部溫度的變化趨勢(shì)關(guān)系

圖2 CS101-1EBN 型電熱干燥箱內(nèi)部風(fēng)向示意圖

表3 老化板數(shù)量與風(fēng)速的關(guān)系（單位：m/s）

表4 溫度與風(fēng)速的關(guān)系（風(fēng)速單位：m/s，溫度：℃）

風(fēng)口的風(fēng)速：3.20m/s

烘箱內(nèi)無任何遮擋時(shí)風(fēng)速是一樣的，當(dāng)加入承載板和老化板后，承載板和老化板猶如一個(gè)隔板，影響風(fēng)速變化。從表中可以看出隨著老化板由下往上增加，烘箱內(nèi)部的風(fēng)速由下往上逐漸變小。

烘箱設(shè)置78℃，加滿三層老化板（無電路），測(cè)試烘箱內(nèi)上中下層風(fēng)速與溫度的變化關(guān)系。通過測(cè)試，烘箱內(nèi)溫度與風(fēng)速的關(guān)系，各監(jiān)控點(diǎn)溫度和風(fēng)速變化情況如表4。

從表4中可以看出，上層的風(fēng)速小，溫度高，上層溫度比設(shè)定溫度高出0.8℃，因此烘箱內(nèi)加滿老化板后影響了烘箱內(nèi)溫場(chǎng)的熱交換能力，溫度分布受到風(fēng)速的影響，烘箱溫場(chǎng)與風(fēng)速成反比，即風(fēng)速越小，散熱能力越差。

因此，烘箱內(nèi)部溫場(chǎng)的變化直接與內(nèi)部電路的發(fā)熱量（功率）和散熱能力（風(fēng)速）相關(guān)。

2 烘箱溫場(chǎng)變化規(guī)律分析

由第2點(diǎn)的分析可知電路的發(fā)熱量（功率）和散熱能力（風(fēng)速）是影響烘箱溫場(chǎng)變化的主要因素。綜合分析烘箱內(nèi)功率、風(fēng)速與溫場(chǎng)變化規(guī)律如圖3。

1） 以非功率器件為試驗(yàn)樣品，360只電路，電路分配于三塊老化板，老化環(huán)境溫度要求為86℃，定點(diǎn)測(cè)試烘箱內(nèi)部的三塊老化板上方中心位置溫度。通過一段時(shí)間的溫度監(jiān)控分析，大致可得到圖4中的變化，功率與烘箱內(nèi)部溫度的關(guān)系。

烘箱內(nèi)每一板電路功率10.5W（15V/0.7A）三板電路總功率為31.5W（0.9W/只），烘箱內(nèi)各層老化板附近風(fēng)速（上層風(fēng)速0.15米/秒，中層風(fēng)速1.62米/秒，下層風(fēng)速3.11米/秒），此時(shí)烘箱內(nèi)溫度梯度變化（分別比設(shè)定溫度高出1.8℃、2.5℃、3.4℃）。由于非功率器件整體發(fā)熱量（耗散功率）小，雖然烘箱內(nèi)部散熱能力（風(fēng)速）不一致，但是烘箱內(nèi)部溫場(chǎng)變化3.4℃，處于國(guó)軍標(biāo)要求以內(nèi)。

2） 以功率器件為試驗(yàn)樣品，12只電路，電路分配于三塊老化板，老化環(huán)境溫度要求為82℃，定點(diǎn)測(cè)試烘箱內(nèi)部三塊老化板上方的中心位置。通過一段時(shí)間的監(jiān)控分析，大致可得到下圖的變化，功率與烘箱內(nèi)部溫度的關(guān)系：

三板電路總功率達(dá)到392W（32.7W/只）。烘箱內(nèi)三板老化電路，風(fēng)速為上層風(fēng)速0.14米/秒，中層風(fēng)速1.63米/秒，下層風(fēng)速3.14米/秒，溫度變化最大比設(shè)定值高6.4℃。

圖3 烘箱內(nèi)功率、風(fēng)速與溫場(chǎng)變化規(guī)律

圖4 功率與烘箱內(nèi)部溫度的關(guān)系

從圖4中可以看出，在同樣的烘箱內(nèi)，當(dāng)耗散功率的發(fā)熱量增大時(shí)，在三層隔板上的同樣位置監(jiān)測(cè)的溫度梯度明顯高于圖3非功率器件的溫度變化，并且隨著功率的增加烘箱各點(diǎn)的溫場(chǎng)變化是非線性。

3 結(jié)果

1）每種類型的試驗(yàn)箱散熱能力是一定的，當(dāng)烘箱內(nèi)部所加電路的耗散功率超過一定范圍時(shí)，電路的發(fā)熱量就會(huì)積聚，影響試驗(yàn)箱的內(nèi)部溫場(chǎng)均勻。就本所使用的CS101-1EBN烘箱內(nèi)所加功率器件的總功率不能超過500W。

2）烘箱內(nèi)部溫場(chǎng)的變化直接影響因素為內(nèi)部電路的發(fā)熱量（功率）和烘箱的散熱能力（風(fēng)速）。

3）烘箱為非全密封狀態(tài)，因此烘箱內(nèi)散熱能力（風(fēng)速）在烘箱內(nèi)擱置老化板時(shí)，各部分的風(fēng)速大小會(huì)不同。當(dāng)耗散功率較小時(shí)，烘箱內(nèi)部溫場(chǎng)梯度變化較小，符合國(guó)軍標(biāo)的容差要求；當(dāng)耗散功率的發(fā)熱量較大時(shí)，烘箱內(nèi)部溫場(chǎng)梯度變化大，并且隨著功率的增加烘箱各點(diǎn)的溫場(chǎng)變化是非線性。

4 改進(jìn)措施

1）烘箱內(nèi)的溫場(chǎng)變化受老化電路功率大小和烘箱散熱能力大小（風(fēng)速）影響。烘箱內(nèi)不僅控制所加電路的功率，還要改變烘箱內(nèi)電路排列方式，下層可以盡量加滿電路，依次由下層往上層逐漸減少電路功率，烘箱內(nèi)形成功率梯度，與烘箱風(fēng)速相吻合，達(dá)到散熱目的。

2）試驗(yàn)箱使用的是CS101-1EBN型電熱干燥箱，風(fēng)源來自底部，由于烘箱承載板和老化板的原因，風(fēng)速由下往上逐漸減小，根據(jù)烘箱風(fēng)速的特點(diǎn)，可以將老化板放置方向與烘箱風(fēng)向保持一致，增大通風(fēng)面積，減少風(fēng)速阻隔，增強(qiáng)烘箱的散熱功能。

3）根據(jù)改進(jìn)措施結(jié)合以功率器件DC/DC電源為試驗(yàn)對(duì)象，溫度設(shè)置為80℃，試驗(yàn)電路功率65W（1只）逐漸遞增到520W（8只），烘箱內(nèi)電路功率達(dá)到520W比設(shè)定溫度高出5.6℃，達(dá)到國(guó)軍標(biāo)要求（8℃或8%），見表5。比改進(jìn)前455W時(shí)溫度比設(shè)定高出6.2℃有明顯的改進(jìn)。

表5 功率與烘箱實(shí)際溫度的變化趨勢(shì)關(guān)系

5 結(jié)束語

集成電路的高溫老化、壽命是考核產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。烘箱內(nèi)的溫場(chǎng)變化與電路耗散功率，烘箱自身吹風(fēng)方式有關(guān)。知道了溫場(chǎng)變化影響因素，為我們今后的高溫老化、壽命工作提供有利的幫助。

[1]王魯寧. 集成電路老化溫度與功耗、頻率關(guān)系研究[J].艦船電子工程,2009,183（9）：172-174.

[2]莊弈琪. 微電子器件應(yīng)用可靠性技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,1996.

[3]盧昆祥. 電子設(shè)備可靠性試驗(yàn)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,1992.