Срок службы при высоких температурах

Срок службы при высоких температурах (HTOL) — это тест надежности, применяемый к интегральным схемам (ИС) для определения их внутренней надежности. Этот тест подвергает микросхему воздействию повышенной температуры , высокого напряжения и динамической работы в течение заранее определенного периода времени. IC обычно контролируется в условиях нагрузки и тестируется через промежуточные промежутки времени. Этот стресс-тест надежности иногда называют тестом на срок службы , тестом на срок службы устройства или на длительную эксплуатацию тестом и используется для запуска потенциальных режимов отказа и оценки срока службы микросхемы .

Существует несколько типов HTOL:

Типы HTOL	Схематическое изображение	Описание
Статический		IC находится под напряжением в статических и постоянных условиях, IC не переключается.
Динамический		Входной стимул для переключения внутренних узлов устройства.
Контролируемый		Входной стимул для переключения внутренних узлов устройства. Выход в реальном времени указывает на производительность микросхемы.
Испытано на месте		Входной стимул для переключения внутренних узлов устройства. Отзывчивый выходной сигнал проверяет производительность микросхемы.

Документы АЭК. ^[1]
Стандарты JEDEC. ^[2]
Милевые стандарты. ^[3]

Аспекты дизайна [ править ]

Основная цель HTOL — состарить устройство так, чтобы короткий эксперимент позволил спрогнозировать срок службы ИС (например, 1000 часов HTOL должны предсказать минимум «X» лет работы). Хороший процесс HTOL должен избегать расслабленной работы HTOL, а также предотвращать перегрузку микросхемы. Этот метод устаревает все строительные блоки ИС, чтобы обеспечить возможность запуска и реализации соответствующих режимов отказа в ходе короткого эксперимента по обеспечению надежности. Точный множитель, известный как коэффициент ускорения (AF), моделирует длительный срок службы.

AF представляет собой коэффициент ускоренного старения относительно условий эксплуатации.

Для эффективного стресс-тестирования HTOL следует учитывать несколько переменных:

Цифровой коэффициент переключения
Работа аналоговых модулей
Активность кольца ввода-вывода
Дизайн монитора
Температура окружающей среды (Та)
Температура перехода (Tj)
Напряжение напряжения (Встрс)
Коэффициент ускорения (AF)
Продолжительность испытания (т)
Размер выборки (SS)

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

коэффициент Цифровой переключения

Коэффициент цифрового переключения (DTF) представляет собой количество транзисторов, которые меняют свое состояние во время стресс-теста, относительно общего количества вентилей в цифровой части ИС. По сути, DTF — это процент транзисторов, переключающихся 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. ОЗУ (и другие типы памяти) обычно активируются с помощью функции BIST , тогда как логика обычно активируется с помощью функции SCAN , LFSR или логики BIST .

Оцениваются мощность и самонагрев цифровой части ИС, а также оценивается старение устройства. Эти две меры согласованы так, что они аналогичны старению других элементов ИС. Степенями свободы для согласования этих мер являются напряжение напряжения и/или период времени, в течение которого программа HTOL зацикливает эти блоки относительно других блоков IC.

Работа аналоговых модулей [ править ]

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

Эта тенденция усложняет работу инженеров по надежности, поскольку (обычно) аналоговая часть микросхемы рассеивает более высокую 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 выравнивать старение так, чтобы оно было одинаковым для всех элементов ИС.

В нашей гипотетической SoC аналоговый модуль включает в себя только стабилизатор напряжения. На самом деле могут существовать дополнительные аналоговые модули, например PMIC , генераторы или насосы заряда . Чтобы провести эффективные стресс-тесты аналоговых элементов, инженеры по надежности должны определить наихудший сценарий для соответствующих аналоговых блоков ИС. Например, наихудшим сценарием для регуляторов напряжения может быть максимальное напряжение регулирования и максимальный ток нагрузки; для зарядовых 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 загрузке из-за разных схем работы чипа и оптимизации работы его аналоговых частей.

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

Активность кольца ввода/вывода [ править ]

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. Вводы/выводы (обычно) подключаются через корпус ИС к «внешнему миру», и каждый ввод/вывод выполняет свои собственные конкретные командные инструкции, например, JTAG порты , порты питания ИС и т. д. Проектирование надежности направлено на старение всех вводов/выводов. так же, как и другие элементы IC. Этого можно достичь с помощью операции сканирования границ .

Дизайн монитора [ править ]

Как упоминалось ранее, основной целью HTOL является старение образцов динамическим напряжением при повышенном напряжении и/или температуре. Во время работы HTOL нам необходимо убедиться, что ИС активна, переключается и постоянно функционирует.

В то же время нам необходимо знать, в какой момент ИК перестает отвечать, эти данные важны для расчета индексов надежности цен и для облегчения ФА . Это делается путем мониторинга устройства с помощью одного или нескольких сигналов жизненно важных параметров ИС, передаваемых и регистрируемых машиной HTOL, и обеспечения непрерывной индикации о функциональности ИС на протяжении всего времени работы HTOL. Примеры часто используемых мониторов включают сигнал флага «готово» BIST, выходную цепь SCAN или выход аналогового модуля.

Существует три типа мониторинга:

Сопоставление с образцом: фактический выходной сигнал сравнивается с ожидаемым и предупреждает о любом отклонении. Основным недостатком этого типа монитора является его чувствительность к любому незначительному отклонению от ожидаемого сигнала. Во время HTOL микросхема работает при температуре и/или напряжении, которые иногда выходят за пределы технических характеристик, что может вызвать искусственную чувствительность и/или неисправность, приводящую к сбою в согласовании, но не являющуюся реальным сбоем.
Действие: подсчитывает количество переключений, и если результаты превышают заранее заданный порог, монитор показывает «ОК». Основным недостатком этого типа мониторинга является вероятность того, что неожиданный шум или сигнал могут быть неправильно интерпретированы. Эта проблема возникает в основном в случае переключения монитора с низким счетчиком.
Активность в заранее заданном диапазоне: проверяет, реагирует ли монитор в пределах заранее определенного предела, например, когда количество переключателей находится в пределах заранее определенного предела или выходной сигнал регулятора напряжения находится в пределах заранее определенного диапазона.

Температура окружающей среды Та ) (

Согласно стандартам JEDEC, климатическая камера должна быть способна поддерживать заданную температуру с допуском ±5 °C на всем протяжении, пока детали нагружены и отключены от электропитания. Современные климатические камеры обладают лучшими возможностями и могут обеспечивать температурную стабильность в пределах ±3 °C.

Температура перехода (Tj) [ править ]

Микросхемы малой мощности могут подвергаться нагрузкам, не уделяя особого внимания эффектам самонагрева. Однако из-за масштабирования технологий и производственных различий рассеиваемая мощность в пределах одной производственной партии устройств может различаться на целых 40%. Этот вариант, в дополнение к мощной ИС, требует расширенного контроля температуры контактов для облегчения работы индивидуальных систем управления для каждой ИС.

Напряжение напряжения (Vstrs) [ править ]

Рабочее напряжение должно быть не ниже максимального, указанного для устройства. В некоторых случаях применяется более высокое напряжение для ускорения срока службы за счет напряжения, а также температуры.

Для определения максимально допустимого напряжения напряжения можно рассмотреть следующие методы:

Усилить 80% напряжения пробоя;
Сила шесть сигм меньше напряжения пробоя;
Установите перенапряжение выше максимально указанного напряжения. Уровень перенапряжения 140 % от максимального напряжения иногда используется для MIL и автомобильной техники.

Инженеры по надежности должны проверить, что _{напряжение} V не превышает максимальное номинальное напряжение для соответствующей технологии, указанное FAB.

Коэффициент ускорения (AF) [ править ]

Фактор ускорения (AF) — это множитель, который связывает срок службы продукта при повышенном уровне нагрузки со сроком службы при уровне нагрузки при использовании.

AF, равный 20, означает, что 1 час в стрессовом состоянии эквивалентен 20 часам в полезном 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 эффективного времени работы устройства или достижения эквивалентного срока службы.

Существует несколько моделей AFv:

Модель E или экспоненциальная модель ускорения постоянного поля/напряжения;
Модель 1/E или, что то же самое, модель инжекции анодных отверстий;
Модель V, где интенсивность отказов экспоненциально зависит от напряжения.
Анодное выделение водорода для степенной модели

AFtemp — это коэффициент ускорения, обусловленный изменениями температуры, который обычно основан на уравнении Аррениуса . Общий коэффициент ускорения является произведением AFv и AFtemp.

Продолжительность испытания (t) [ править ]

Продолжительность испытаний на надежность обеспечивает адекватный срок службы устройства.

Например, при энергии активации 0,7 эВ, температуре напряжения 125 °C и температуре использования 55 °C коэффициент ускорения (уравнение Аррениуса) составляет 78,6. Это означает, что продолжительность нагрузки в 1000 часов эквивалентна 9 годам использования. Инженер по надежности принимает решение о продолжительности квалификационных испытаний. Передовая практика отрасли требует 1000 часов при температуре перехода 125 °C.

Размер выборки (SS) [ править ]

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

Планы выборки статистически основаны на риске производителя, риске потребителя и ожидаемой частоте отказов. Обычно используемый план отбора проб с нулевым отклонением из 230 образцов равен трем бракам из 668 образцов, при условии, что LTPD = 1 и доверительный интервал 90%.

Политика HTOL [ править ]

Выборка образца [ править ]

Пробы должны включать репрезентативные образцы как минимум из трех непоследовательных партий, чтобы отразить производственные различия. Все испытательные образцы должны быть изготовлены, обработаны, проверены и собраны таким же образом, как и на этапе производства.

Подготовка проб [ править ]

Образцы должны быть проверены до стресса и 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 [ править ]

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

Различные контрольные точки для разных температур можно рассчитать с помощью уравнения Аррениуса. Например, при энергии активации 0,7e В, T _j 135 °C и T _{использования} 55 °C эквивалентные контрольные точки будут находиться в 29, 102, 303 и 606 часах.

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

Если тестирование превышает рекомендуемый временной интервал, следует применить дополнительную нагрузку в соответствии с таблицей ниже: ^[2]

Время выше рекомендуемого временного окна	0ч < ч ≤ 168ч	168ч < ч ≤ 336ч	336ч < ч ≤ 504ч	Другой
Дополнительные часы стресса	24 часа	48 часов	72 часа	24 часа на каждые 168 часов

Числа заслуг [ править ]

Показатель качества является результатом планов статистической выборки .

Планы выборки вводятся в инструмент аудита SENTENCE, чтобы гарантировать, что результаты процесса соответствуют требованиям. SENTENCE просто принимает или отклоняет протестированные партии. Инженер по надежности реализует планы статистической выборки на основе заранее определенных пределов приемочного качества, LTPD, риска производителя и риска клиента. Например, обычно используемый план отбора проб, согласно которому 0 бракованных образцов из 230, соответствует 3 бракованным образцам из 668, при условии, что LTPD=1.

HTOL в различных отраслях [ править ]

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

Перед инженерами по надежности стоит задача проверить достаточную продолжительность нагрузки. Например, для энергии активации 0,7 эВ, температуры нагрузки 125 °C и температуры использования 55 °C ожидаемый срок эксплуатации в пять лет соответствует 557-часовому эксперименту HTOL.

Коммерческое использование [ править ]

Моя милая	Макс Кашель	Описание	Ожидаемое время жизни
5 °С	50 °С	настольные продукты	5 лет
0 °С	70 °С	мобильные продукты	4 года

Использование в автомобилестроении [ править ]

Примеры условий использования в автомобилестроении ^[1]

Моя милая	Макс Кашель	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 °С	70 °С	состояние салона	от 10 до 15 лет

Использование телекоммуникаций

Пример определения условий использования European Telecom

Моя милая	Макс Кашель	Описание	Ожидаемое время жизни
5 °С	40 °С	класс 3.1 Помещения с контролируемой температурой	обычно 25 лет
−5 °С	45 °С	класс 3.2 Помещения с частичным контролируемым температурным режимом	обычно 25 лет
−25 °С	55 °С	класс 3.3 Помещения без температурного режима	обычно 25 лет
−40 °С	70 °С	класс 3.4 Площадки с тепловой ловушкой	обычно 25 лет
−40 °С	40 °С	класс 3.5 Защищенные места, Прямая солнечная радиация	обычно 25 лет

Пример определения условий использования US Telecom

Моя милая	Макс Кашель	Описание	Ожидаемое время жизни
−40 °С	46 °С	Неконтролируемая среда	25 лет
5 °С	40 °С	Закрытое здание	25 лет

Военное использование

Пример условий военного использования

Моя милая	Макс Кашель	Описание
−55 °С	125 °С	МИЛ-продукты
−55 °С	до 225 °С	высокотемпературные приложения

Пример [ править ]

Количество отказов = r

Количество устройств = D

Часов тестирования на устройство = H

Цельсий + 273 = T (расчетная температура в Кельвинах)

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

Температура использования (стандартизована как 55 °C или 328K) = $T_{\text{use}}$

Энергия активации (эВ) = $E_{\text{a}}$

${\text{X}}^{2}(\alpha ,\nu )$ Хи-квадрат/2 — это оценка вероятности количества отказов при α и ν.

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

Степени свободы для

X^{2}

распределение; в расчетах надежности используется ν=2r + 2. = ν (nu)

Коэффициент ускорения из уравнения Аррениуса = $A_{\text{f}}$

Константа Больцмана ( $\hbar$ ) = 8,617 x 10e-5 эВ/К

Часы работы устройства ( DH ) = D x H

Эквивалентное время работы устройства ( EDH ) = Д x В x $A_{\text{f}}$

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

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

Среднее время до отказа = MTTF

Где коэффициент ускорения из уравнения Аррениуса равен: $\displaystyle A_{\text{f}}=e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}$

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

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

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

Среднее время до отказа в годах = $MTTF_{\text{years}}={\frac {1}{(\lambda _{\text{hours}}\times 24\times 365)}}$ ´

Если вы хотите рассчитать коэффициент ускорения, включая влажность, так называемый высокоускоренный стресс-тест ( HAST ), то:

коэффициент ускорения из уравнения Аррениуса будет: $\displaystyle A_{\text{f}}=e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{test}}-{\text{HR}}_{\text{use}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}$

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

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

где $\beta$ – масштабный коэффициент механизма отказа. Это значение от 0,1 до 0,15.

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

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

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

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

где $\zeta$ – масштабный коэффициент механизма отказа. Это значение от 0 до 3,0. Обычно 0,5 для дефекта кремниевого перехода.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

[aecouncil-1] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б AEC-документы

[JEDEC_Standard-2] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б КАЖДЫЙ стандарт

[Mil_Standard-3] Стандарт Mil. Архивировано 24 июня 2013 г. в Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]