Диссертация (Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность), страница 11

Например, для отказа такого элемента СБИС, как тонкий окисел, коэффициент  окис рассчитывают по формуле 4.14. окис S ок.и d ок.и,S ок.б d ок.б(4.14)где Sок.и и Sок.б - общая площадь тонкого окисла в исследуемой и базовой СБИС;d ок.ии d ок.б - толщина тонкого окисла в исследуемой и базовой СБИС.844.2 Определение границ области допустимого форсирования1. Режимы форсирования испытаний не должны выходить за границы области допустимого форсирования. Эти границы определяются условием соблюдения автомодельности испытаний в нормальных и форсированных режимах, т.е.форсированный режим не должен приводить к возникновению новых видов и механизмов отказов, не характерных для нормальных режимов (в пределах, допускаемых ТУ на изделия) [78, 79, 80].2.

В пределах области допустимого форсирования должны соблюдаться следующие основные требования:температура перехода не должна превышать 150ºС;напряжения на элементах СБИС не должны приводить к возникновениюэлектрических пробоев;сочетание температуры, тока и напряжения не должно вызывать явлениетеплового пробоя и предшествующего ему теплового шнурования – образованиягорячих пятен;плотность тока в пленках металлизации для приборов с алюминиевой металлизацией не должна превышать 2·106 А/см2;температура корпуса не должна превышать предельно допустимых температур используемых материалов (припой, клей и др.);при наличии соединений алюминий-золото на кристалле СБИС температурав области этих соединений не должна превышать 150 ºС;СБИС должны сохранять способность функционировать (полностью или частично), их электрические параметры в форсированном режиме могут выходитьза пределы норм ТУ, при этом не должно происходить необратимой потери функ-85ционирования и ухода параметров за нормы ТУ, т.е.

при возвращении к нормальному режиму микросхемы должны восстанавливать работоспособность по ТУ.3. Уточнение границ области допустимого форсирования производится посредством испытании по оценке конструктивно-технологических запасов (КТЗ) всоответствии с [78, 81, 82, 83] на воздействие ступенчато возрастающей электрической нагрузки при повышенной рабочей температуре среды и воздействие повышенной температуры среды. Граница не должна превышать значений уровнейбезопасной нагрузки.4. Область температур, при которых СБИС еще сохраняют способность кфункционированию, определяют посредством испытаний при ступенчатом повышении температуры с контролем функционирования на каждой ступени. Испытаниям подвергают 10 шт.

СБИС.Схема включения, электрические режимы должны соответствовать установленным для испытаний на безотказность. Температура повышается начиная спредельной рабочей с выдержкой на каждой ступени не менее 2 ч. Величина ступеней 10-15ºС. Контроль функционирования проводится после каждой ступени.Рекомендуется одновременно производить контроль токов потребления.

Его резкое изменение, чаще возрастание, предшествует, как правило, прекращениюфункционирования и приводит к значительному изменению тока потребления. Вэтих случаях рекомендуется уменьшить величины следующих ступеней и увеличить выдержку ИС на этих ступенях.Контроль функционирования и тока потребления рекомендуется проводитьбез изъятия СБИС из испытательного стенда.

При проведении этих испытаний, атакже испытаний по п. 3 [2] рекомендуется устанавливать в цепях питания ивходных цепях ограничительные резисторы с целью предотвращения выходаСБИС из строя из-за резкого возрастания токов.86Испытания заканчивают при достижении температуры, при которой прекращается функционирование, или, если это не произойдет, в соответствии с ограничениями, установленными в п.2 [2].4.3 Определение констант ускорения n и α в моделях коэффициента ускорения от тока и напряженияЗначения констант ускорения n и α определяют путем проведения испытанийи последующей математической обработки результатов испытаний.1. Испытаниям подвергают не менее трех выборок по каждому из воздействующих факторов.

Объем каждой выборки – по планам контроля [1].2. Испытания проводят не менее чем при трех значениях тока (J) илинапряжения (U), минимальные значения которых выбирают равной температурепри испытаниях не превышающих 125 ˚С, при температуре кристалла не выше150 ˚С.Остальные значения тока или напряжения выбирают между этими значениями.Температуру испытаний при минимальных значениях тока или напряженияберут максимально допустимой по ТУ, при других значениях тока или напряжения значение температуры испытаний выбирают такой, чтобы средняя температура перехода равнялась бы средней температуре перехода при минимальных значениях тока или напряжения.3.

Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы накопленноечисло отказов в каждой выборке были отказы. Для этого рекомендуется устанав-87ливать условные нормы ПКГ более жесткие, чем нормы по ТУ для испытаний набезотказность, и условные нормы на дополнительные параметры.4. Контроль параметров при испытаниях проводят перед началом и в процессе испытаний. Периодичность измерений параметров рекомендуется устанавливать с учетом жесткости режима так, чтобы по возможности точнее фиксировать моменты отказов ИС по условным нормам.5.

Обработку результатов измерений проводят графически или аналитически.При графическом определении n или α по зависимости времени наработки доопределенного процента отказов от тока или напряжения фиксируют моменты отказов ИС для каждой выборки.На графиках, по оси ординат которых отложен ln t , а по оси абсцисс - ln J , вслучае определения n или U в случае определения α отмечают токи с одинаковойдолей отказов и через эти точки проводят прямую так, чтобы они были наиболееблизко расположены от прямой.На полученной прямой выбирают любые две точки А и В и отмечают соответствующие им значения ln t на оси ординат и ln J или U на оси абсцисс. Значения n и α определяют по формулам 4.15, 4.16.nln t A  ln t B ;ln J B  ln J A(4.15)ln t A  ln t B .(4.16)U B U A6.

При аналитическом определении n и α находят простейшую несмещенную точечную оценку параметра линейной регрессионной модели связи междуусловиями испытаний и функцией распределения логарифма времени до отказа.Значение n или α определяют по формуле 4.17.88Sn, 1 S S  z  xzS  z 1   z 1 ,SS1x z2   x z S  z 1 z 1  z xz z 1(4.17)где S - общее количество режимов испытаний;dz ln ti 1dziz;(4.18)d z - количество отказов в режиме z (при одинаковой доле отказов в каждомрежиме);tiz- время наработки до отказа i-ой ИС в z – режиме,xz  ln J z , U z - функция режима.4.4 Определение энергии активации на основе параллельных испытанийвыборок в различных режимахЗначение энергии активации ( Eа ) определяют путем проведения параллельных испытаний выборок в различных режимах с последующей математическойобработкой результатов испытаний.1.

Испытаниям подвергают не менее трех выборок по планам испытаний набезотказность по [1].2. Испытания проводят не менее чем при трех значениях TПЕР . Минимальноезначение TПЕР берут температуру для испытаний на безотказность 125˚С, максимальное значение TПЕР берут не выше 150 ˚С для кристалла. Остальные значениявыбирают между этими температурами.893. Продолжительность испытаний должна быть такой, чтобы были отказы.Для этого рекомендуется устанавливать условные нормы на параметры-критериигодности более жёсткие, чем нормы в ТУ для испытаний на безотказность, иусловные номы на дополнительные параметры.

Для сложных ИС (БИС, СБИС)рекомендуется дополнительно в качестве критерия отказа устанавливать потерюфункционирования СБИС на границе области наихудших режимов функционирования. Эту область определяют на основе оценки наихудшего сочетания значенийпитающих напряжений, амплитуды и частоты входных сигналов, нагрузки и температуры, при которых СБИС еще функционируют, а за их пределами – перестают функционировать.

При этом не возникает необратимой потери работоспособности, т.е. в номинальных режимах по ТУ СБИС полностью восстанавливаютсвою работоспособность.4. Контроль параметров и функционирования СБИС проводят перед началоми в процессе испытаний. Рекомендуется в процессе испытаний контролироватьпараметры и (или) функционирование СБИС без изъятия СБИС из испытательного стенда, как минимум необходимо контролировать ток потребления.

СБИС, отказавшие по условным нормам и (или) функционированию в условиях испытаний,перепроверяют в нормальных условиях после изъятия из испытательного стенда.Периодичность измерения параметров рекомендуется устанавливать с учетом жесткости режима так, чтобы по возможности точнее фиксировать моментыотказов СБИС.5.

Результаты испытаний и расчетов заносят в таблицу 4.1.90Таблица 4.1ZTпер.zQпер.ztznzdzqztizyizxzµz12…SОбозначения:Z – номер режима испытаний;S – общее количество режимов испытаний;Tпер.z и Qпер.z – температура перехода соответственно в градусах Цельсия иКельвина (Qпер.z= Tпер.z+273);tz – полное время испытаний в Z – режиме, ч;nz – объем выборки, шт.;dz – количество отказов, шт.;qz – накопленная доля отказов, %;tiz – время наработки до отказа i-й ИС в Z-режиме, ч;yiz=lntiz – зависимая переменная (функция времени);xZ 103- независимая переменная (функция режима);Qпер. zdzyi 1dziz- математическое ожидание логарифма времени наработки до от-каза.Для каждого режима «Z» приводится столько значений tiz и yiz, сколько отказов было зафиксировано на данной выборке.916. Значение Eа определяют, используя данные таблицы, из соотношения4.19.Ea  8,62  102 1 ,(4.19)где 1 - коэффициент регрессии, характеризующий наклон линии регрессии,определяющийся по формуле 4.20.S1  xz 1zz1S S  xzzS  z 1   z 1 1S 2x xzzS  z 1 z 1S2.(4.20)7.

При выявлении в процессе испытаний нескольких механизмов отказоврасчеты проводят отдельно по каждому механизму отказа, при этом объем испытаний должен быть достаточным для наличия не менее четырех отказов, обусловленных каждым из механизмов отказов. В этом случае определяют энергию активации ( Eа ) по каждому механизму отказа и в дальнейшем расчеты общего коэффициента ускорения проводят с учетом доли отказов по отдельным механизмам вобщем потоке отказов в соответствии с рекомендациями, изложенными в приложении 6 [2].8.

Метод может быть использован для определения энергии активации дляотдельных механизмов отказов ( Eа ) на основе испытаний тестовых структур, соответствующих элементам ИС, в которых развиваются исследуемые механизмыотказов.924.5 Примеры ускоренных испытаний на наработку до отказаМетодика ускоренных испытаний по подтверждению наработки до отказа на примере 100000 часов.Микросхема 1635РУ21У представляет КМОП СОЗУ.Длительные испытания на безотказность К26 (испытания на наработку до отказа) проводят в течение Тн как продолжение испытаний К7 (кратковременныеиспытания на безотказность длительностью 1000 часов).Определение режима и длительности ускоренных испытаний (УИ) проведенопо методике согласно [2]. В качестве ускоряющего фактора выбрана повышеннаятемпература.Поскольку температура по ТУ (Тту) и температура ускорения (Туск) лежат вразных диапазонах температур (для которых в таблице 4 [2] указаны разные значения энергии активации), то общий коэффициент ускорения за счет температурбудет равен произведению коэффициентов ускорения рассчитанных для каждогодиапазона в пределах Тту и Туск [84, 85, 86, 87] по формуле, представленной в4.21.Кт = ехр11Еа(),k Т пер.ТУ  273 Т пер.УСК  273(4.21)где Тпер.ТУ – температура кристалла микросхемы по ТУ;Тпер.УСК – температура кристалла микросхемы при УИ.Тпер = Токр.ср+ RtP5, где Rt – тепловое сопротивление кристалл – подложка, Р –рассеивающая мощность,определяющаяся по формуле 4.22.Р = ΔЕпит ·Iсс.(4.22)93В соответствии с проектом АЕЯР.431130.456 ТУ Rt = 23,5º/Вт, ΔЕпит = 30В,Iсс65 = 5,9 мА, Iсс65 = 606 мА.После расчетов Тпер.ТУ = Тпер65 = 69,2; Тпер.УСК = Тпер125 = 129,7ºСПоскольку Тпер.ТУ и Тпер.УСК лежат в разных диапазонах температур, то общийкоэффициент ускорения будет равен произведению коэффициентов ускорения,рассчитанных для каждого диапазона в пределах Тту и Туск, представленных в 4.24,4.25 соответственно.Расчет общего коэффициента ускорения представлен в формуле 4.23.Кт125 = Кт1·Кт2 ≈ 27, 17767,(4.23)гдеК т1 = ехр 0,45 5 (К т2 =169,2  2738,6  101ехр 0,65 5 (70  2738,6  10--1) = 1,0370  731)129,7  273= 26,22(4.24)(4.25)Методика ускоренных испытаний по подтверждению наработки до отказа на примере 150000 часов.Микросхема аналоговая выполненная по КМОП технологии.Определение режима и длительности УИ проведено по методике согласно[2].