Срок службы при высоких температурах - High-temperature operating life

Срок службы при высоких температурах (HTOL) - это испытание на надежность, применяемое к интегральным схемам (ИС) для определения их внутренней надежности. Это испытание подвергает ИС повышенной температуре , высокому напряжению и динамической работе в течение заранее определенного периода времени. IC обычно контролируется под нагрузкой и тестируется через определенные промежутки времени. Это испытание надежности стресса иногда называют как «время жизни», тест «тест жизни устройства» или «расширенной ожоговой в тесте» и используется для запуска потенциальных видов отказов и оценки IC жизни .

Существует несколько типов HTOL:

Типы HTOL	Схема	Описание
Статический		IC нагружен в статических и постоянных условиях, IC не переключается.
Динамический		Входной стимул для переключения внутренних узлов устройства.
Отслеживаемый		Входной стимул для переключения внутренних узлов устройства. Живой выход указывает на производительность IC.
Протестировано на месте		Входной стимул для переключения внутренних узлов устройства. Отзывчивый вывод проверяет работу ИС.

• Документы AEC.
• Стандарты JEDEC.
• Стандарты Mil.

Соображения по дизайну

Основная цель HTOL состоит в том, чтобы состарить устройство таким образом, чтобы короткий эксперимент позволил спрогнозировать срок службы ИС (например, 1000 часов HTOL должны прогнозировать минимум "X" лет эксплуатации). Хороший процесс HTOL должен избегать расслабленной работы HTOL, а также предотвращает чрезмерную нагрузку на IC. Этот метод состаривает все строительные блоки ИС, чтобы можно было инициировать соответствующие режимы отказа и реализовать их в коротком эксперименте по надежности. Точный множитель, известный как коэффициент ускорения (AF), имитирует длительный срок службы.

AF представляет коэффициент ускоренного старения относительно условий эксплуатации в течение срока службы.

Для эффективного стресс-тестирования HTOL следует учитывать несколько переменных:

1. Фактор цифрового переключения
2. Работа аналоговых модулей
3. Активность кольца ввода / вывода
4. Дизайн монитора
5. Температура окружающей среды (Ta)
6. Температура перехода (Tj)
7. Напряжение напряжения (Vstrs)
8. Фактор ускорения (AF)
9. Продолжительность испытания (т)
10. Размер выборки (СС)

Подробное описание вышеупомянутых переменных с использованием гипотетической упрощенной ИС с несколькими ОЗУ, цифровой логикой, модулем аналогового регулятора напряжения и кольцом ввода-вывода, а также рекомендации по проектированию HTOL для каждой из них представлены ниже.

Фактор цифрового переключения

Коэффициент цифрового переключения (DTF) представляет собой количество транзисторов, которые меняют свое состояние во время стресс-теста, относительно общего количества затворов в цифровой части ИС. Фактически, DTF - это процент переключения транзисторов за одну единицу времени. Единица времени зависит от частоты переключения и обычно ограничивается настройкой HTOL в диапазоне 10–20 МГц.

Инженеры по надежности стремятся переключать как можно больше транзисторов для каждой единицы измерения времени. RAM (и другие типы памяти) обычно активируются с помощью функции BIST , в то время как логика обычно активируется с помощью функции SCAN , LFSR или логики BIST .

Оцениваются мощность и самонагрев цифровой части ИС и оценивается старение устройства. Эти два показателя согласованы так, что они аналогичны старению других элементов ИС. Степени свободы для согласования этих мер - это напряжение напряжения и / или период времени, в течение которого программа HTOL выполняет циклическое зацикливание этих блоков относительно других блоков IC.

Работа аналоговых модулей

Недавняя тенденция интеграции как можно большего числа электронных компонентов в один чип известна как система на кристалле (SoC).

Эта тенденция усложняет работу инженеров по надежности, поскольку (обычно) аналоговая часть микросхемы рассеивает большую мощность по сравнению с другими элементами ИС.

Эта более высокая мощность может создавать горячие точки и области ускоренного старения. Инженеры по надежности должны понимать распределение мощности на кристалле и согласовывать старение таким образом, чтобы оно было одинаковым для всех элементов ИС.

В нашей гипотетической SoC аналоговый модуль включает только регулятор напряжения. В действительности могут быть дополнительные аналоговые модули, например PMIC , генераторы или насосы заряда . Чтобы выполнить эффективные стресс-тесты аналоговых элементов, инженеры по надежности должны определить наихудший сценарий для соответствующих аналоговых блоков в ИС. Например, наихудшим сценарием для регуляторов напряжения может быть максимальное регулируемое напряжение и максимальный ток нагрузки; для зарядных насосов это может быть минимальное напряжение питания и максимальный ток нагрузки.

Хорошая инженерная практика требует использования внешних нагрузок (внешних R, L, C) для создания необходимых токов. Такая практика позволяет избежать различий в нагрузке из-за различных схем работы микросхемы и корректировки операций ее аналоговых частей.

Статистические методы используются для проверки статистических допусков , вариаций и температурной стабильности используемых нагрузок, а также для определения правильных доверительных интервалов для нагрузок, чтобы избежать чрезмерного / недостаточного напряжения в рабочем диапазоне HTOL. Степени свободы для согласования величины старения аналоговых деталей обычно представляют собой рабочий цикл , значения внешней нагрузки и напряжения.

Активность кольца ввода / вывода

Интерфейс между «внешним миром» и ИС осуществляется через кольцо ввода / вывода (I / O). Это кольцо содержит порты ввода / вывода питания, порты цифрового ввода / вывода и порты аналогового ввода / вывода. Входы / выходы (обычно) подключаются через пакет IC к «внешнему миру», и каждый вход / выход выполняет свои собственные конкретные командные инструкции, например, порты JTAG, порты питания IC и т. Д. Инженерия обеспечения надежности нацелена на устаревание всех операций ввода-вывода. так же, как и другие элементы ИС. Это может быть достигнуто с помощью операции пограничного сканирования .

Дизайн монитора

Как упоминалось ранее, основной целью HTOL является старение образцов под действием динамической нагрузки при повышенном напряжении и / или температуре. Во время работы HTOL мы должны убедиться, что IC активна, переключается и постоянно функционирует.

В то же время нам нужно знать, в какой момент IC перестает отвечать, эти данные важны для расчета индексов надежности цен и для облегчения FA . Это осуществляется путем мониторинга устройства с помощью одного или нескольких сигналов важных параметров IC, передаваемых и регистрируемых машиной HTOL, и обеспечения непрерывной индикации функциональности IC в течение всего времени работы HTOL. Примеры обычно используемых мониторов включают сигнал флага «готово» BIST, выходную цепочку SCAN или выход аналогового модуля.

Есть три типа мониторинга:

1. Сопоставление с образцом: фактический выходной сигнал сравнивается с ожидаемым и предупреждает о любых отклонениях. Основным недостатком этого типа монитора является его чувствительность к любым незначительным отклонениям от ожидаемого сигнала. Во время HTOL ИС работает при температуре и / или напряжениях, которые иногда выходят за пределы спецификации, что может вызвать искусственную чувствительность и / или неисправность, которая не дает согласования, но не является настоящим отказом.
2. Активность: подсчитывает количество переключений, и, если результаты превышают предварительно определенный порог, монитор показывает ОК. Основным недостатком этого типа мониторинга является вероятность ошибочной интерпретации неожиданного шума или сигнала. Эта проблема возникает в основном в случае переключения монитора с малым счетчиком.
3. Активность в пределах заранее определенного диапазона: проверяет, что монитор реагирует в пределах заранее установленного предела, например, когда количество переключателей находится в пределах предопределенного предела или выходной сигнал регулятора напряжения находится в пределах предопределенного диапазона.

Температура окружающей среды (Ta)

Согласно стандартам JEDEC, климатическая камера должна быть способна поддерживать заданную температуру с допуском ± 5 ° C на всем протяжении, пока детали загружены и отключены от источника питания. Современные климатические камеры обладают лучшими характеристиками и могут демонстрировать температурную стабильность в диапазоне ± 3 ° C во всем.

Температура перехода (Tj)

ИС с низким энергопотреблением могут быть подвергнуты стрессу, не обращая особого внимания на эффекты самонагрева. Однако из-за масштабирования технологий и производственных вариаций рассеиваемая мощность в пределах одной производственной партии устройств может варьироваться на целых 40%. Этот вариант, в дополнение к высокой мощности ИС, делает необходимым усовершенствованный контроль температуры контактов для упрощения индивидуальных систем управления для каждой ИС.

Напряжение напряжения (Vstrs)

Рабочее напряжение должно быть не ниже максимального, указанного для устройства. В некоторых случаях применяется более высокое напряжение, чтобы получить ускорение срока службы из-за напряжения, а также температуры.

Для определения максимально допустимого напряжения напряжения можно рассмотреть следующие методы:

1. Сила 80% напряжения пробоя;
2. Сила на шесть сигм меньше напряжения пробоя;
3. Установите перенапряжение выше максимального указанного напряжения. Уровень перенапряжения 140% от максимального напряжения иногда используется для MIL и автомобильных приложений.

Инженеры по надежности должны убедиться, что _{напряжение} V не превышает максимального номинального напряжения для соответствующей технологии, указанного в FAB.

Фактор ускорения (AF)

Коэффициент ускорения (AF) - это множитель, который связывает срок службы продукта при повышенном уровне стресса и срок службы на уровне стресса при использовании.

AF 20 означает, что 1 час в стрессовом состоянии эквивалентен 20 часам в рабочем состоянии.

Коэффициент ускорения напряжения представлен AFv. Обычно напряжение напряжения равно максимальному напряжению или превышает его. Повышенное напряжение обеспечивает дополнительное ускорение и может использоваться для увеличения эффективных часов работы устройства или достижения эквивалентного срока службы.

Есть несколько моделей AFv:

1. E-модель или экспоненциальная модель ускорения постоянного поля / напряжения;
2. Модель 1 / E или, что то же самое, модель инжекции в анодное отверстие;
3. Модель V, где частота отказов экспоненциально зависит от напряжения
4. Выделение водорода на аноде для степенной модели

AFtemp - это коэффициент ускорения из-за изменений температуры, который обычно основан на уравнении Аррениуса . Общий коэффициент ускорения является произведением AFv и AFtemp.

Продолжительность испытания (т)

Продолжительность проверки надежности обеспечивает соответствие требованиям к сроку службы устройства.

Например, при энергии активации 0,7 эВ, температуре напряжения 125 ° C и температуре использования 55 ° C коэффициент ускорения (уравнение Аррениуса) равен 78,6. Это означает, что продолжительность стресса в 1000 часов эквивалентна 9 годам использования. Инженер по надежности принимает решение о продолжительности квалификационного испытания. Хорошая отраслевая практика требует 1000 часов работы при температуре перехода 125 ° C.

Размер выборки (СС)

Задача новых систем оценки надежности и квалификации заключается в определении соответствующих механизмов отказа для оптимизации размера выборки.

Планы выборки статистически выводятся из риска производителя, риска потребителя и ожидаемой частоты отказов. Обычно используемый план выборки нулевого брака из 230 образцов равен трем бракам из 668 образцов, предполагая LTPD = 1 и 90% доверительный интервал.

Политика HTOL

отбор проб

Образцы должны включать репрезентативные образцы, по крайней мере, из трех непоследовательных партий, чтобы представить производственную изменчивость. Все образцы для испытаний должны быть изготовлены, обработаны, проверены и собраны так же, как и на этапе производства.

Базовые приготовления

Перед нагрузкой образцы должны быть испытаны в заранее определенных контрольных точках. Хорошей инженерной практикой является испытание образцов при максимальной и минимальной номинальной температуре, а также при комнатной температуре. Журналы данных всех функциональных и параметрических испытаний должны быть сопоставлены для дальнейшего анализа.

Продолжительность теста

Предполагая, что Tj = 125 ° C, обычно используются контрольные точки через 48, 168, 500 и 1000 часов.

Различные контрольные точки для разных температур могут быть рассчитаны с помощью уравнения Аррениуса. Например, при энергии активации 0,7e V, T _{j =} 135 ° C и T _{использования} 55 ° C эквивалентные контрольные точки будут в 29, 102, 303 и 606 часах.

Электрические испытания следует завершить как можно скорее после удаления образцов. Если образцы не могут быть протестированы вскоре после их удаления, следует применить дополнительное время нагрузки. Стандарт JEDEC требует, чтобы образцы были протестированы в течение 168 часов после удаления.

Если тестирование превышает рекомендованное временное окно, необходимо применить дополнительное напряжение в соответствии с таблицей ниже:

Время выше рекомендованного временного окна	0 ч <ч ≤ 168 ч	168 ч <ч ≤ 336 ч	336 ч <ч ≤ 504 ч	Другие
Дополнительные часы стресса	24ч	48ч	72ч	24 часа за каждые 168 часов

Номера заслуг

Число достоинств является результатом планов статистической выборки .

Планы выборки вводятся в SENTENCE, инструмент аудита, чтобы гарантировать, что выходные данные процесса соответствуют требованиям. SENTENCE просто принимает или отклоняет протестированные лоты. Инженер по надежности реализует планы статистической выборки на основе заранее определенных пределов качества приемки, LTPD, риска производителя и риска клиента. Например, обычно используемый план выборки из 0 отказов из 230 образцов равен 3 отказу из 668 образцов, предполагая, что LTPD = 1.

HTOL в различных отраслях

Процесс старения ИС зависит от его стандартных условий использования. В таблицах ниже приведены ссылки на различные часто используемые продукты и условия, в которых они используются.

Инженерам по надежности поручено проверить адекватную продолжительность нагрузки. Например, для энергии активации 0,7 эВ, температуры напряжения 125 ° C и температуры использования 55 ° C ожидаемый срок службы в пять лет представлен 557-часовым экспериментом HTOL.

Коммерческое использование

Мин Тусе	Макс Тусе	Описание	Ожидаемое время жизни
5 ° C	50 ° С	настольные продукты	5 лет
0 ° C	70 ° С	мобильные продукты	4 года

Автомобильное использование

Примеры условий использования в автомобилях

Мин Тусе	Макс Тусе	Описание	Ожидаемое время жизни
−40 ° С	105—150 ° С	состояние под капотом	От 10 до 15 лет
−40 ° С	80 ° С	состояние салона	От 10 до 15 лет
0 ° C	70 ° С	состояние салона	От 10 до 15 лет

Использование телекоммуникаций

Пример определения условий использования European Telecom

Мин Тусе	Макс Тусе	Описание	Ожидаемое время жизни
5 ° C	40 ° С	класс 3.1 Места с контролируемой температурой	обычно 25 лет
−5 ° С	45 ° С	класс 3.2 Места с частично контролируемой температурой	обычно 25 лет
−25 ° С	55 ° С	класс 3.3 Места без температурного контроля	обычно 25 лет
−40 ° С	70 ° С	класс 3.4 Площадки с тепловыми ловушками	обычно 25 лет
−40 ° С	40 ° С	класс 3.5 Закрытые помещения, прямое солнечное излучение	обычно 25 лет

Пример определения условий использования US Telecom

Мин Тусе	Макс Тусе	Описание	Ожидаемое время жизни
−40 ° С	46 ° С	Неконтролируемая среда	25 лет
5 ° C	40 ° С	Закрытое здание	25 лет

Военное использование

Пример условий военного использования

Мин Тусе	Макс Тусе	Описание
−55 ° С	125 ° С	Продукты MIL
−55 ° С	до 225 ° C	высокотемпературные приложения

пример

Количество отказов = r

Количество отказов устройств = D

Часы тестирования на устройство = H

Цельсия + 273 = T (Расчетная температура в Кельвинах)

Температура испытания (HTRB или другая температура приработки) = ${\ displaystyle T _ {\ text {test}}}$

Использовать температуру (стандартизовано при 55 ° C или 328 ° K) = ${\ displaystyle T _ {\ text {use}}}$

Энергия активации (эВ) = ${\ displaystyle E _ {\ text {a}}}$

${\ Displaystyle {\ текст {X}} ^ {2} (\ альфа, \ ню)}$ Chi Squared / 2 - это оценка вероятности количества отказов при α и ν.

Уровень достоверности для распределения X ^ 2; в расчетах надежности используется α = 60% или 0,60 = α (альфа)

Степени свободы распространения; в расчетах надежности используется ν = 2r + 2. = ν (nu)${\ displaystyle X ^ {2}}$

Коэффициент ускорения из уравнения Аррениуса = ${\ displaystyle A _ {\ text {f}}}$

Константа Больцмана ( ) = 8,617 x 10e-5 эВ / ° K ${\ displaystyle \ hbar}$

Часы работы устройства ( DH ) = D x H

Эквивалентные часы работы устройства ( EDH ) = D x H x${\ displaystyle A _ {\ text {f}}}$

Частота отказов в час = ${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {часы}}}$

Отказы во времени = Частота отказов на миллиард часов = FIT = ${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {FIT}}}$

Среднее время до отказа = MTTF

Где коэффициент ускорения из уравнения Аррениуса: ${\ displaystyle \ displaystyle A _ {\ text {f}} = e ^ {{\ frac {E _ {\ text {a}}} {\ hbar}} \ times ({\ frac {1} {T _ {\ text { использовать}}}} - {\ frac {1} {T _ {\ text {test}}}})}}$

Частота отказов в час = ${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {hour}} = {\ frac {X ^ {2} (\ alpha, \ nu)} {2 \ times D \ times H \ times A _ {\ text {f}}} } = {\ frac {X ^ {2} (\ alpha, \ nu)} {2 \ times EDH}}}$

Отказы во времени = Частота отказов на миллиард часов = FIT =${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {FIT}} = \ lambda _ {\ text {hours}} \ times 10 ^ {9}}$

Среднее время до отказа в часах = ${\ displaystyle MTTF _ {\ text {hours}} = {\ frac {1} {\ lambda _ {\ text {hours}}}}}$

Средняя наработка на отказ в годах = ´ ${\ displaystyle MTTF _ {\ text {years}} = {\ frac {1} {(\ lambda _ {\ text {hours}} \ times 24 \ times 365)}}}$

Если вы хотите рассчитать коэффициент ускорения, включая влажность, с помощью так называемого высокоускоренного стресс-теста ( HAST ), тогда:

Фактор ускорения из уравнения Аррениуса будет: ${\ displaystyle \ displaystyle A _ {\ text {f}} = e ^ {\ beta \ times ({\ text {HR}} _ {\ text {test}} - {\ text {HR}} _ {\ text { use}})} \ times e ^ {{\ frac {E _ {\ text {a}}} {\ hbar}} \ times ({\ frac {1} {T _ {\ text {use}}}}} - { \ frac {1} {T _ {\ text {test}}}})}}$

где - относительная влажность стресс-теста (в процентах). Обычно 85%. ${\ displaystyle {\ text {HR}} _ {\ text {test}}}$

где - типичная относительная влажность (в процентах). Обычно это измеряется на поверхности стружки ок. 10–20%. ${\ displaystyle {\ text {HR}} _ {\ text {use}}}$

где - масштабный коэффициент механизма разрушения. Это значение от 0,1 до 0,15. ${\ displaystyle \ beta}$

Если вы хотите рассчитать коэффициент ускорения, включая влажность ( HAST ) и напряжение, то:

Фактор ускорения из уравнения Аррениуса будет: ${\ displaystyle \ displaystyle A _ {\ text {f}} = e ^ {\ zeta \ times ({\ text {V}} _ {\ text {test}} - {\ text {V}} _ {\ text { use}})} \ times e ^ {\ beta \ times ({\ text {HR}} _ {\ text {test}} - {\ text {HR}} _ {\ text {use}})} \ times e ^ {{\ frac {E _ {\ text {a}}} {\ hbar}} \ times ({\ frac {1} {T _ {\ text {use}}}}} - {\ frac {1} {T_ {\ text {test}}}})}}$

где - напряжение напряжения (в вольтах). Обычно это VCCx1,4 В. например 1,8x1,4 = 2,52 вольт. ${\ displaystyle {\ text {V}} _ {\ text {test}}}$

где - типичное рабочее напряжение или VCC (в вольтах). Обычно напряжение VCC составляет 1,8 В. В зависимости от дизайна. ${\ displaystyle {\ text {V}} _ {\ text {use}}}$

где - масштабный коэффициент механизма разрушения. Это значение от 0 до 3,0. Обычно 0,5 для дефекта соединения Silican. ${\ displaystyle \ zeta}$

Смотрите также

• Старение транзисторов
• Уравнение Аррениуса
• Миграция стресса
• Надежность (полупроводник)
• Режимы отказа электроники

Ссылки

• кремний
• Сравнение эффективности стрессовых условий квалификации надежности
• Надежность Hotwire eMagazine
• Справочник SEMATECH