JT54LS273型集成電路加速壽命試驗(yàn)研究

李文軍

（天水天光半導(dǎo)體有限公司，甘肅 天水 741000）

JT54LS273型集成電路加速壽命試驗(yàn)研究

李文軍

（天水天光半導(dǎo)體有限公司，甘肅 天水 741000）

本文介紹了加速壽命試驗(yàn)中最為常用的阿倫尼斯模型，并按該模型選擇JT54LS273型集成電路變化最大的關(guān)鍵參數(shù)，求得元器件在常溫貯存時(shí)的數(shù)學(xué)模型，以常溫貯存數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)元器件加速貯存壽命的主要依據(jù)。選擇同型號(hào)、同品種的元器件，進(jìn)行高溫加速貯存試驗(yàn)與常溫貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并建立加速貯存試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。得出同一型?hào)同一品種器件的高溫貯存加速因子、高溫貯存試驗(yàn)時(shí)間，提前得出器件長(zhǎng)期貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以判斷器件是否滿(mǎn)足儲(chǔ)存期要求，并給出試驗(yàn)結(jié)論。

集成電路；阿倫尼斯模型；高溫貯存

1 概述

長(zhǎng)期以來(lái)，電子元器件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期貯存后出現(xiàn)主要參數(shù)漂移、材料性能下降等一系列問(wèn)題，因此高可靠、長(zhǎng)壽命元器件的量化評(píng)估一直是可靠性工程領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。通常采用的壽命試驗(yàn)方法不僅需要耗費(fèi)大量的試驗(yàn)時(shí)間、人力和物力，而且經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)后出來(lái)的結(jié)果可能已經(jīng)失去了實(shí)際意義，因此便有了加速貯存壽命試驗(yàn)。

加速儲(chǔ)存壽命試驗(yàn)是一種，既不改變又不增加，產(chǎn)品在實(shí)際儲(chǔ)存條件下失效機(jī)理的前提下，用加大貯存環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力來(lái)加速產(chǎn)品失效。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)計(jì)正常貯存環(huán)境應(yīng)力下產(chǎn)品的貯存壽命，或在一個(gè)相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)獲得失效率數(shù)據(jù)的技術(shù)。其基本思想是利用高應(yīng)力水平下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征，其關(guān)鍵是建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，然后利用這個(gè)關(guān)系實(shí)現(xiàn)外推正常應(yīng)力水平下貯存壽命特征的目的。

加速壽命試驗(yàn)的評(píng)估需要借助于加速模型。電子元器件在儲(chǔ)存期間，會(huì)受到溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，其中主要的影響因素是溫度。在以溫度為加速應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn)評(píng)估中，應(yīng)用廣泛的是阿倫尼斯模型。

2 理論依據(jù)

加速壽命試驗(yàn)?zāi)壳爸饕邪惸崴鼓Ｐ汀⒛鎯缏赡Ｐ?、單?yīng)力艾林模型、廣義艾林模型等模型。本次實(shí)驗(yàn)的主要依據(jù)是阿倫尼斯模型，它反應(yīng)的是壽命與溫度的關(guān)系，高溫能使產(chǎn)品內(nèi)部加快化學(xué)反應(yīng)，促使產(chǎn)品提前失效。

其表達(dá)式為:

式中：M——產(chǎn)品某特性的退化量；

K——玻爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/℃；

T——絕對(duì)溫度；

A0——常數(shù)；

T——反應(yīng)時(shí)間；

ΔE——失效機(jī)理激活能，以eV為單位，同一類(lèi)元器件的同一失效模式為常數(shù)。

令器件的初始狀態(tài)的退化量為M1，對(duì)應(yīng)時(shí)間為t1；另一狀態(tài)的退化量為M2，對(duì)應(yīng)時(shí)間為t2。那么，當(dāng)T為常數(shù)時(shí)，從t1到t2的累積退化量為：

當(dāng)退化量M2達(dá)到某個(gè)值Mp時(shí),則認(rèn)為該器件失效，由此會(huì)影響到由它們所構(gòu)成的設(shè)備的性能參數(shù)或工作情況。這時(shí)的時(shí)間差（t2-t1）就是它們從t1開(kāi)始延續(xù)的壽命L。即

式(7)中：

A、B——待定參數(shù)；

L——某壽命特征，如中位壽命，平均壽命。

式(7)是線性化的壽命與溫度的關(guān)系模型，符合化學(xué)反應(yīng)的器件的L與T的關(guān)系。該模型表明，壽命特征的對(duì)數(shù)是溫度倒數(shù)的線性函數(shù)。

阿倫尼斯認(rèn)為，對(duì)于某一確定反應(yīng)來(lái)說(shuō)，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)。即對(duì)應(yīng)于某失效機(jī)理，激活能是不隨溫度變化的常數(shù),這就保證了加速壽命試驗(yàn)的可行性。

參數(shù)B的意義很容易通過(guò)式(7)的壽命—溫度應(yīng)力關(guān)系看出來(lái),A為截距，溫度應(yīng)力的倒數(shù)是變量，B為直線斜率，是壽命相對(duì)于溫度應(yīng)力倒數(shù)的斜率。

由式(6)可知，B具有和激活能一樣的特性。即B是溫度應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品壽命影響程度的一種度量。B值越大,則產(chǎn)品壽命對(duì)溫度應(yīng)力的敏感度就越高。參數(shù)B也可以取負(fù)值，在這種情況下,隨著應(yīng)力的加大，產(chǎn)品壽命也會(huì)增大。

加速因子亦稱(chēng)加速系數(shù)，是加速貯存壽命試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)。其定義為正常應(yīng)力作用下的壽命L0與加大應(yīng)力下產(chǎn)品的壽命L1之比：

式(8)中：K——性能退化率。

對(duì)于式(1)，當(dāng)T不變時(shí)，兩邊積分得

當(dāng)在不同溫度T1、T2，經(jīng)過(guò)時(shí)間t1、t2后特性值或退化量相同，可推出

則阿倫尼斯模型的加速因子為：

式(12)是基于退化量相同而導(dǎo)出的，(12)無(wú)論產(chǎn)品是否失效，只要產(chǎn)品功能的退化量相同即可。

通過(guò)對(duì)阿倫尼斯模型的研究發(fā)現(xiàn)：

1)該模型反映的是產(chǎn)品某特性值與激活能和所施加應(yīng)力的關(guān)系；

2)其加速因子也是基于相同的退化量而導(dǎo)出的，無(wú)論是否失效，只要產(chǎn)品功能的退化量相同即可。

這就為加速壽命試驗(yàn)提供了另外一種途徑,即利用某性能參數(shù)或特征量退化數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行評(píng)定、推斷。

3 實(shí)驗(yàn)案例

3.1 試驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

本次試驗(yàn)所抽取的試驗(yàn)樣品20只，測(cè)試參數(shù)為產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范電特性參數(shù)，參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析包括ICC、IIH、IIL、VOL、VOH、IOS和VIK。加速倍率推算以產(chǎn)品儲(chǔ)存后變化最大的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析。

常溫儲(chǔ)存環(huán)境溫度范圍為：20℃～28℃，相對(duì)濕度為35%RH～75%RH。測(cè)試數(shù)據(jù)為5個(gè)月采集1次，共采集10次，用時(shí)50個(gè)月。

高溫貯存溫度點(diǎn)為：100℃、125℃、150℃，允許偏差為±3℃。高溫貯存測(cè)試數(shù)據(jù)為10d采集1次，共采集10次，用時(shí)100d。

3.2 數(shù)據(jù)分析

取每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均值作為該點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得到線性方程。將三個(gè)高溫點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合方程的斜率和常溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率進(jìn)行比較，得到高溫貯存試驗(yàn)對(duì)應(yīng)常溫儲(chǔ)存試驗(yàn)的加速因子，常溫儲(chǔ)存壽命除以加速因子得到高溫加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間。本文以JT54LS273為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，常溫貯存關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試值見(jiàn)表1。

表1 常溫貯存關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試值

通過(guò)上表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可做出參數(shù)值隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增長(zhǎng)而變化的曲線，如圖2所示，從而得到趨勢(shì)擬合方程，再推算出各參數(shù)失效時(shí)間，對(duì)照情況見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)失效時(shí)間對(duì)照表

圖2 JT54LS273常溫儲(chǔ)存VIK變化曲線

圖3 JT54LS273高溫儲(chǔ)存VIK變化曲線

同理，分別可得到三個(gè)高溫貯存點(diǎn)的產(chǎn)品的高溫貯存VIK值，如圖3所示得到趨勢(shì)擬合方程：

100℃時(shí)，y2=-6E-05x-0.8491；

125℃時(shí)，y3=-0.0002x-0.8437；

150℃時(shí)，y4=-0.0004x-0.8393。

進(jìn)而得出，三個(gè)高溫貯存點(diǎn)的加速因子，在100℃、125℃、150℃時(shí)分別為6、20、40。最后，求得高溫加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間，在100℃、125℃、150℃時(shí)分別為45360h、14256h、7392h。

4 阿倫尼斯模型高溫?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證

4.1 阿倫尼斯模型數(shù)據(jù)處理方法

建立加速儲(chǔ)存試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，選擇了三個(gè)高溫點(diǎn)100℃、125℃、150℃貯存作為試驗(yàn)的加速應(yīng)力?？筛鶕?jù)阿倫尼斯方程推導(dǎo)出lnL～1/T，式中L為三個(gè)高溫點(diǎn)下達(dá)到常溫變化量的試驗(yàn)時(shí)間，T為三個(gè)高溫點(diǎn)溫度。

1）求出產(chǎn)品VIK值在三個(gè)高溫點(diǎn)下達(dá)到常溫變化量的試驗(yàn)時(shí)間和三個(gè)高溫點(diǎn)溫度；

2）將lnL～1/T，進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合方程；

3）將存儲(chǔ)時(shí)間L=32年換算成lnL，代入擬合方程中，算出T；

4）若T值在庫(kù)房?jī)?chǔ)存條件（-10℃～40℃）范圍內(nèi)，則證明數(shù)據(jù)可信。

4.2 高溫?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證

按照上述方法，對(duì)JT54LS273高溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算：

1)已知三個(gè)高溫點(diǎn)貯存溫度為100℃、125℃、150℃，所以T1=373，T2=398，T3=423。

2)高溫貯存試驗(yàn)時(shí)間已知：t1=7392h；t2=14256h；t3=45360h；

3)可求得lnL值與1/T值，見(jiàn)表3。

表3 lnL值與1/T值

4)將lnL～1/T進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合曲線如圖4所示。

圖4 最小二乘法擬合曲線

5)將長(zhǎng)儲(chǔ)時(shí)間L=32年代入擬合方程中得：T≈282K=9℃。符合庫(kù)房?jī)?chǔ)存條件溫度-10℃～40℃范圍要求，說(shuō)明高溫加速儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。

5 加速貯存試驗(yàn)預(yù)計(jì)結(jié)果

通過(guò)高溫（150℃）加速貯存試驗(yàn)來(lái)預(yù)計(jì)結(jié)果。綜合上述高溫加速貯存試驗(yàn)時(shí)間已經(jīng)預(yù)計(jì)，高溫加速模型已經(jīng)建立。從試驗(yàn)后VIK推算值可以看出，產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)預(yù)計(jì)結(jié)果均合格。

［1］ 林震,姜同敏,程永生,胡斌.阿倫尼斯模型研究［M］.北京,電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2005,26(3)：12-14.

［2］ 趙建印,劉芳.產(chǎn)品加速退化失效模型與統(tǒng)計(jì)分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào),2008,40（12）：2088-2090.

TB114.3