恒定溫度應(yīng)力下的模擬IC加速退化試驗(yàn)研究

吳兆希，李曉紅，鄧永芳，蔡建榮，楊少華

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶　400060；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610）

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恒定溫度應(yīng)力下的模擬IC加速退化試驗(yàn)研究

吳兆希1，李曉紅1，鄧永芳1，蔡建榮1，楊少華2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶400060；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

研究了在不同恒定溫度應(yīng)力條件下某型號(hào)驅(qū)動(dòng)器的模擬集成電路的加速退化試驗(yàn)。首先，確定了該型驅(qū)動(dòng)器的敏感參數(shù)，并建立了敏感參數(shù)的退化模型；然后，計(jì)算得到了器件在加速應(yīng)力下的偽壽命；最后，利用阿倫尼斯模型對(duì)偽壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，外推得到了器件的激活能及其在正常工作應(yīng)力條件下的壽命信息。

加速退化試驗(yàn)；阿倫尼斯模型；激活能；驅(qū)動(dòng)器

0　引言

隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)綜合性和復(fù)雜性的不斷提高，系統(tǒng)的可靠性變得越來(lái)越重要了。半導(dǎo)體器件作為現(xiàn)代電子裝備的最重要的組成部分，其可靠性在很大程度上決定了整個(gè)電子裝備的可靠性。而半導(dǎo)體器件的可靠性根據(jù)其所處應(yīng)力條件的不同可以分為兩類(lèi)：貯存可靠性和工作可靠性。由于高可靠、長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品在正常的試驗(yàn)條件下，能夠獲得的產(chǎn)品失效數(shù)據(jù)甚少，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的基于失效數(shù)據(jù)的可靠性分析變得相當(dāng)困難。基于此，基于性能退化的可靠性分析便成為了一種評(píng)估高可靠產(chǎn)品的可靠性和壽命的有效方法［1］。為了能夠在較短的時(shí)間里觀察到產(chǎn)品的性能退化趨勢(shì)，需采用產(chǎn)品性能加速退化試驗(yàn)來(lái)加速產(chǎn)品的退化。本文將對(duì)某型號(hào)驅(qū)動(dòng)器的模擬集成電路在恒定溫度應(yīng)力條件下的工作可靠性進(jìn)行研究，進(jìn)而推算其在正常工作應(yīng)力條件下的壽命信息。

1　加速試驗(yàn)的基本概念

加速試驗(yàn)的基本原理是在不改變器件的失效機(jī)理的前提下，通過(guò)適當(dāng)?shù)靥岣哒T發(fā)器件失效的應(yīng)力條件 （溫度、濕度、電壓、電流和振動(dòng)中的一種或幾種的組合）來(lái)加速器件的退化或失效。加速試驗(yàn)可用來(lái)發(fā)現(xiàn)并識(shí)別半導(dǎo)體器件潛在的失效機(jī)理，并對(duì)這些失效機(jī)理在電子系統(tǒng)中發(fā)生的概率或速率進(jìn)行評(píng)估［2］。

在利用加速試驗(yàn)獲得半導(dǎo)體器件的可靠性信息（失效率、平均壽命等）后，即可利用引起半導(dǎo)體器件失效的加速模型來(lái)外推得到器件在正常應(yīng)力條件下的失效率和壽命等可靠性信息［3］。

2　加速退化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將該型號(hào)驅(qū)動(dòng)器的樣品分為3組，每組均為30只樣品。其加速退化工作壽命試驗(yàn)條件為：電應(yīng)力按照產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范施加，溫度應(yīng)力分別為100℃、125℃和150℃，試驗(yàn)期間每1 000 h對(duì)電路可能的敏感參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的參數(shù)共8個(gè)。由于在3個(gè)不同試驗(yàn)溫度下電路參數(shù)的退化規(guī)律是一致的，現(xiàn)選取試驗(yàn)溫度為125℃，經(jīng)歷3 000 h加速退化試驗(yàn)后的電路參數(shù)的變化情況來(lái)確定電路的敏感參數(shù)，監(jiān)測(cè)的電路參數(shù)的變化情況如表1所示。

表1　監(jiān)測(cè)的驅(qū)動(dòng)器電參數(shù)變化情況

選擇試驗(yàn)前后變化百分比最大的參數(shù)IOL作為敏感參數(shù)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。125℃的加速條件下IOL的變化情況如圖1所示。

圖1　125℃溫度應(yīng)力下IOL的變化情況

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1試驗(yàn)電路的偽壽命的計(jì)算

由圖1可以看出，IOL與試驗(yàn)時(shí)間之間基本滿足線性關(guān)系，根據(jù)每只電路的線性擬合方程，可以推算出該試驗(yàn)條件下IOL下降至40 mA的時(shí)間點(diǎn)，該時(shí)間點(diǎn)即為該試驗(yàn)條件下電路的偽壽命。

假定線性退化方程為：

IOL=at+I0（1）

式 （1）中：a——常數(shù)；

t——試驗(yàn)時(shí)間；

I0——t=0時(shí)，電流的初始值。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到其線性擬合方程為：

IOL=-0.000 12 t+42.963 33（2）

擬合的相關(guān)度R2=0.928 57，將電路失效判據(jù)IOL=40 mA帶入上式，即可得到該電路的偽壽命t= 246 94.4 h。

同理可以得到其他試驗(yàn)樣品的偽壽命，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　不同溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品的偽壽命數(shù)據(jù)　t/h

3.2偽壽命數(shù)據(jù)分析擬合

將偽壽命數(shù)據(jù)繪制成直方圖，直方圖的分組數(shù)量可以由公式 （3）來(lái)確定［4］，即：

k=1+3.31g（n）（3）

式 （3）中：k——分組數(shù)；

n——樣品個(gè)數(shù)。

本文中每個(gè)溫度應(yīng)力下樣品數(shù)n=30，將其帶入 （3）式，將結(jié)果取整后可得k=6。

以125℃組為例，繪制的偽壽命直方圖如圖2所示。

圖2　125℃溫度應(yīng)力下偽壽命直方圖

觀察偽壽命直方圖，發(fā)現(xiàn)其大致符合正態(tài)分布的規(guī)律。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，半導(dǎo)體集成電路的壽命通常符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度滿足［5］：

其平均值滿足：

使用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)125℃組偽壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3　125℃溫度應(yīng)力下電路偽壽命的對(duì)數(shù)正態(tài)擬合

通過(guò)Origin數(shù)據(jù)分析軟件可以得出：μ=9.142 75，σ=0.023 04；擬合的相關(guān)度R2=0.950 93。

根據(jù) （5）式可得，125℃組的平均壽命：

Average 1ife_125℃=9 348.91 h

同理可得100℃與150℃溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品的平均壽命，如表3所示。

表3　不同溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品的平均壽命數(shù)據(jù)

3.3常溫工作壽命的推算

模擬集成電路在高溫條件下工作的加速過(guò)程可以用改進(jìn)型Arrhenius模型來(lái)模擬［6］，該模型考慮：除了溫度外，器件的退化還與施加的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力有關(guān)。改進(jìn)型Arrhenius模型的表達(dá)式如下：

式 （6）中：M——器件的失效敏感參數(shù)；

t——試驗(yàn)時(shí)間；

dM/dt——參數(shù)的退化速率；

A——常數(shù)；

j——電流密度；

V——電壓；

Ea——激活能；

n——電流密度冪指數(shù)因子；

m——電壓冪指數(shù)因子；

k——波爾茲曼常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度。

當(dāng)在試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)樣品施加恒定工作狀態(tài)電流電壓應(yīng)力時(shí)，影響器件的敏感參數(shù)的退化速率的將只有溫度，此時(shí)，Arrhenius模型的表達(dá)式為：

我們即得到了電路壽命取對(duì)數(shù)后與絕對(duì)溫度的倒數(shù)之間的線性關(guān)系。根據(jù)之前得到的3個(gè)加速溫度應(yīng)力下電路的平均壽命數(shù)據(jù)，便可得到平均壽命-溫度線性擬合曲線，如圖4所示。

將 （7）式兩邊取對(duì)數(shù)，可以改寫(xiě)為：

圖4　平均壽命-溫度線性擬合曲線

可以得出，電路的平均壽命與工作溫度之間的關(guān)系為：

根據(jù) （9）式可得出，該型號(hào)驅(qū)動(dòng)器在25℃下的工作壽命為980 181.33 h。

將 （9）式對(duì)比 （8）式可知：

故該型驅(qū)動(dòng)器的溫度加速激活能Ea=5482.05112× K=0.47 eV。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和科技文獻(xiàn)等資料，結(jié)合我所在器件加速試驗(yàn)領(lǐng)域中的研究實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)影響加速退化試驗(yàn)的準(zhǔn)確性的3個(gè)主要因素 （即敏感參數(shù)退化軌跡曲線函數(shù)、器件敏感參數(shù)壽命分布函數(shù)和加速退化模型）進(jìn)行了分析，利用各個(gè)溫度加速退化應(yīng)力條件下得到的器件壽命信息，結(jié)合對(duì)應(yīng)的加速模型，外推得到了器件在正常應(yīng)力下的工作壽命。

［1］WAYNE B Ne1son.Acce1erated testing：statistica1 mode1s，test p1ans and data ana1ysis［M］.New York：John Wi1ey &Sons，1990.

［2］羅俊，向培勝，趙勝雷，等.半導(dǎo)體器件的長(zhǎng)期貯存失效機(jī)理及加速模型 ［J］.微電子學(xué)，2013，43（4）：558-563.

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Research on the Accelerated Degradation Test of Analog IC Based on Constant Temperature Stress

WU Zhao-xi1，LI Xiao-hong1，DENG Yong-fang1，CAI Jian-rong1，YANG Shao-hua2
（1.No.24 Research Institute of CETC，Chongqing 400060，China；2.CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The aclelerated degradation test of the analog IC of a driver under different constant temperature stresses is studied.First1y，the sensitive parameters of the driver is determined，and the degradation mode1 of the sensitive parameters is estab1ished.And then，the pseudo 1ife of the driver under acce1erated stresses is ca1cu1ated.Fina11y，the activation energy and the 1ife information under norma1 working stress of the driver are obtained by ana1yzing the pseudo 1ife data with Arrhenius re1ationship.

acce1erated degradation test；Arrhenius re1ationship；activation energy；driver

TB 114.3；TN 431.1

A

1672-5468（2016）03-0045-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.009

2016-01-22

2016-05-22

吳兆希 （1989-），男，四川犍為人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所助理工程師，主要從事測(cè)試開(kāi)發(fā)、可靠性試驗(yàn)和可靠性數(shù)據(jù)分析工作。