恒定温度应力下的模拟IC加速退化试验研究

吴兆希，李晓红，邓永芳，蔡建荣，杨少华

（1.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆　400060；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610）



恒定温度应力下的模拟IC加速退化试验研究

吴兆希1，李晓红1，邓永芳1，蔡建荣1，杨少华2

（1.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆400060；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

研究了在不同恒定温度应力条件下某型号驱动器的模拟集成电路的加速退化试验。首先，确定了该型驱动器的敏感参数，并建立了敏感参数的退化模型；然后，计算得到了器件在加速应力下的伪寿命；最后，利用阿伦尼斯模型对伪寿命数据进行分析，外推得到了器件的激活能及其在正常工作应力条件下的寿命信息。

加速退化试验；阿伦尼斯模型；激活能；驱动器

0　引言

随着现代电子系统综合性和复杂性的不断提高，系统的可靠性变得越来越重要了。半导体器件作为现代电子装备的最重要的组成部分，其可靠性在很大程度上决定了整个电子装备的可靠性。而半导体器件的可靠性根据其所处应力条件的不同可以分为两类：贮存可靠性和工作可靠性。由于高可靠、长寿命的产品在正常的试验条件下，能够获得的产品失效数据甚少，导致采用传统的基于失效数据的可靠性分析变得相当困难。基于此，基于性能退化的可靠性分析便成为了一种评估高可靠产品的可靠性和寿命的有效方法［1］。为了能够在较短的时间里观察到产品的性能退化趋势，需采用产品性能加速退化试验来加速产品的退化。本文将对某型号驱动器的模拟集成电路在恒定温度应力条件下的工作可靠性进行研究，进而推算其在正常工作应力条件下的寿命信息。

1　加速试验的基本概念

加速试验的基本原理是在不改变器件的失效机理的前提下，通过适当地提高诱发器件失效的应力条件 （温度、湿度、电压、电流和振动中的一种或几种的组合）来加速器件的退化或失效。加速试验可用来发现并识别半导体器件潜在的失效机理，并对这些失效机理在电子系统中发生的概率或速率进行评估［2］。

在利用加速试验获得半导体器件的可靠性信息（失效率、平均寿命等）后，即可利用引起半导体器件失效的加速模型来外推得到器件在正常应力条件下的失效率和寿命等可靠性信息［3］。

2　加速退化试验方案设计

将该型号驱动器的样品分为3组，每组均为30只样品。其加速退化工作寿命试验条件为：电应力按照产品详细规范施加，温度应力分别为100℃、125℃和150℃，试验期间每1 000 h对电路可能的敏感参数进行监测，监测的参数共8个。由于在3个不同试验温度下电路参数的退化规律是一致的，现选取试验温度为125℃，经历3 000 h加速退化试验后的电路参数的变化情况来确定电路的敏感参数，监测的电路参数的变化情况如表1所示。

表1　监测的驱动器电参数变化情况

选择试验前后变化百分比最大的参数IOL作为敏感参数，对其数据进行分析。125℃的加速条件下IOL的变化情况如图1所示。

图1　125℃温度应力下IOL的变化情况

3　试验数据分析

3.1试验电路的伪寿命的计算

由图1可以看出，IOL与试验时间之间基本满足线性关系，根据每只电路的线性拟合方程，可以推算出该试验条件下IOL下降至40 mA的时间点，该时间点即为该试验条件下电路的伪寿命。

假定线性退化方程为：

IOL=at+I0（1）

式 （1）中：a——常数；

t——试验时间；

I0——t=0时，电流的初始值。

根据测试数据可以得到其线性拟合方程为：

IOL=-0.000 12 t+42.963 33（2）

拟合的相关度R2=0.928 57，将电路失效判据IOL=40 mA带入上式，即可得到该电路的伪寿命t= 246 94.4 h。

同理可以得到其他试验样品的伪寿命，计算结果如表2所示。

表2　不同温度应力下的产品的伪寿命数据　t/h

3.2伪寿命数据分析拟合

将伪寿命数据绘制成直方图，直方图的分组数量可以由公式 （3）来确定［4］，即：

k=1+3.31g（n）（3）

式 （3）中：k——分组数；

n——样品个数。

本文中每个温度应力下样品数n=30，将其带入 （3）式，将结果取整后可得k=6。

以125℃组为例，绘制的伪寿命直方图如图2所示。

图2　125℃温度应力下伪寿命直方图

观察伪寿命直方图，发现其大致符合正态分布的规律。根据经验，半导体集成电路的寿命通常符合对数正态分布，其概率密度满足［5］：

其平均值满足：

使用Origin数据分析软件对125℃组伪寿命数据进行对数正态分布拟合，得到的结果如图3所示。

图3　125℃温度应力下电路伪寿命的对数正态拟合

通过Origin数据分析软件可以得出：μ=9.142 75，σ=0.023 04；拟合的相关度R2=0.950 93。

根据 （5）式可得，125℃组的平均寿命：

Average 1ife_125℃=9 348.91 h

同理可得100℃与150℃温度应力下的产品的平均寿命，如表3所示。

表3　不同温度应力下的产品的平均寿命数据

3.3常温工作寿命的推算

模拟集成电路在高温条件下工作的加速过程可以用改进型Arrhenius模型来模拟［6］，该模型考虑：除了温度外，器件的退化还与施加的电流应力和电压应力有关。改进型Arrhenius模型的表达式如下：

式 （6）中：M——器件的失效敏感参数；

t——试验时间；

dM/dt——参数的退化速率；

A——常数；

j——电流密度；

V——电压；

Ea——激活能；

n——电流密度幂指数因子；

m——电压幂指数因子；

k——波尔兹曼常数；

T——绝对温度。

当在试验中对试验样品施加恒定工作状态电流电压应力时，影响器件的敏感参数的退化速率的将只有温度，此时，Arrhenius模型的表达式为：

我们即得到了电路寿命取对数后与绝对温度的倒数之间的线性关系。根据之前得到的3个加速温度应力下电路的平均寿命数据，便可得到平均寿命-温度线性拟合曲线，如图4所示。

将 （7）式两边取对数，可以改写为：

图4　平均寿命-温度线性拟合曲线

可以得出，电路的平均寿命与工作温度之间的关系为：

根据 （9）式可得出，该型号驱动器在25℃下的工作寿命为980 181.33 h。

将 （9）式对比 （8）式可知：

故该型驱动器的温度加速激活能Ea=5482.05112× K=0.47 eV。

4　结束语

本文通过查阅国内外的相关技术标准和科技文献等资料，结合我所在器件加速试验领域中的研究实践经验，分别对影响加速退化试验的准确性的3个主要因素 （即敏感参数退化轨迹曲线函数、器件敏感参数寿命分布函数和加速退化模型）进行了分析，利用各个温度加速退化应力条件下得到的器件寿命信息，结合对应的加速模型，外推得到了器件在正常应力下的工作寿命。

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

［2］罗俊，向培胜，赵胜雷，等.半导体器件的长期贮存失效机理及加速模型 ［J］.微电子学，2013，43（4）：558-563.

［3］邓爱民.高可靠长寿命产品可靠性技术研究 ［D］.长沙：国防科学技术大学，2006.

［4］王自力.可靠性数据分析 ［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［5］LUO Jun，QIN Guo-1in，TAN Kai-zhou.Life estimation of ana1og IC based on acce1erated degradation testing［C］// Internationa1 Conference on Re1iabity，Maintainabi1ity and Safety（ICRMS），2014：817-821.

［6］FEINBERG A A，WIDOM A.Connecting parametric aging to catastrophic fai1ure through thermodynamics［J］.IEEE Transactions on Re1iabi1ity，1996，45（1）：28-33.

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

吴兆希 （1989-），男，四川犍为人，中国电子科技集团公司第二十四研究所助理工程师，主要从事测试开发、可靠性试验和可靠性数据分析工作。