寿命测试后器件的使用

寿命测试后器件的使用1.历史寿命测试后的器件在飞行器硬件上的使用对于客户来讲一直以来都是一个问题。这里所指的寿命测试是指质量一直性检测（QCI）期间的标准寿命测试。这是一种在周围环境温度1250C情况下持续1000小时的典型动态老化测试。然而客户却会认为这样一来部件的有效的实用寿命部分已经被加速实验消耗了。本文献则主要阐明寿命测试后的部件仍可用做正常的有价值的产品。2.产品假设此报告从Intersil合格的晶片生产过程内建密封包提出高可靠性产品。它即不是讲关于商业的也不是讲工业的产品。也不是讲任何非密封包装技术。而是假定部件满足所有的设计规则过程并且是完全合格的。3.产品老化一个电子产品的寿命周期遵从于众所周知的浴盆曲线。（如图1所示）。需注意的是其中X轴是对数轴。每个单位是一个10倍增比因子的单位距离。时间计数为1，10，100，1000小时。早期的寿命失效率是由早期失效来支配的，是一个递减的失效率。早期失效是自然界中的随机的生产缺陷。故障的事例如在内级氧化物中的离子制造了金属层间的短路。划痕和薄氧化膜针孔也是这些典型失效的事例。这些失效遵从一种具有短平均寿命时间和高σ的标准对数失效分布。他们也代表了一个总体的一定比例。高可靠性产品接受老化以去除有缺陷的总体部分。在部件生产期间最大允许量可以变化5%而不使用校正措施。缺陷允许百分比（PDA）定义了在校正措施之前的老化损耗限制。中间区域是寿命曲线的恒定失效率段。在这里失效随时间任意分布的。可看出老化已经去除了产品的早期失效部分。失效的概率由指数分布来控制。期望是得到尽可能低的失效率因为这是寿命的有用寿命。客户将接收此部分的开始的产品在并安装它进入终端用户的硬件。寿命测试用来评估此曲线段的失效率。在现实中，客户所观察到的失效率要低于基于寿命测试预测的失效率。一个原因是因为寿命测试过的抽样的规模太小而不能解决真正的失效率问题。举例说明，为了检验在60%的置信上限（UCL）的10FIT（1FIT=109小时下的1个失效），有两种失效将要求46,300单位抽样规模。对于更小的失效率，抽样规模增加更多。曲线的后区域为损耗区域。正如所看到的那样，这个区域出现递增的失效率。在这一点部件已经到达它们寿命的尽头并开始迅速失效。磨损也被模型化按具有一个非常大的平均失效时间而且具有非常严格的σ的对数分布。当磨损开始发生时，所有部件开始失效并在时间上被严格地隔离。许多人对他们房间里的电灯泡有类似的经验。当一个灯泡损耗完后，在几天内，所有的灯泡也将损耗完。在集成电路中的损耗机理是电子迁移，时间相关的介质击穿（TDDB），应力空隙产生和热载流子退化。每一个机制都可能导致电路失效。4.用户关心使用寿命测试后部件的客户所关心的问题是通过加速寿命测试后部件还有多少有用的寿命可以使用呢？寿命测试后部件寿命周期在曲线的何处呢？如先前所描述的，操作器件的理想区域是在恒定失效率区域即图1的中间区域。一个部件应该通过足够长的时间的老化以便去除早期失效而不是接近损耗。此老化应该在恒定失效率曲线的一开始就放入部件。如果部件的老化时间不足够长，在有用的寿命期间就可能出现一定早期失效。这种情况将在实用寿命期间以一个较高的恒定失效率表现出来。寿命测试的附加则确保了早期失效的部分被去除并保证得到一个较低的的恒定失效率。下面将显示寿命测试后，磨损的开始将会推后。5.磨损开始磨损的开始由评价具体测试结构的单个失效机理决定。因为这些部件本身是高可靠性的产品，必须使用高度的加速测试技术在合理的时间里来采集数据。此技术的例子是电子迁移。图2显示了一个NIST电子迁移测试结构。这是用于测量试验片的电阻的4-终端设备。通过高温结构来钳制电流。温度在2000C到2500C范围里是相同的。在超出10mps/cm2的电流密度也是相同的。这些温度和电流在实际电路里将急剧增加与所观察的或所允许的相比。这些高度加速条件允许在相对快的时间帧里失效分布的产生。从这些测试中所收集的数据将用来定义考虑到部件的设计或操作的基本准则。如在电子迁移的实例一样，采集的数据定义了设计电路的金属线的宽度。电路设计者计算金属线的电流时必须使用电路模拟技术。从这里，金属线的大小则由布置的基本准则所定义出来。Intersil使用一个不超过1%的失效在10年的等同操作下且在最坏的情况下由于那个磨损机理。对于多数机理来说结点温度考虑在1750C。在某些情况下，此准则甚至更严格（电子迁移是0.1%）。这可能听起来不像高可靠性的限制而是用于磨损测试的应力是带有被设计用来导致最可能的快速老化的电路配置的恒定的偏差。此条件的一个好例子是关于热载流子应力的。当MOSFET晶体管饱和时，热载流子将在晶体管的漏极侧产生。在漏极处的高电场能够提供足够的能量注入栅氧化膜改变晶体管的门限。此行为将退化晶体管的性能并能导致电路失效。加速热载流子退化的应条件是在峰值衬底的电流。这是典型的其中栅极被偏置为漏极电压的一半。这种状态引起大量的电荷注入氧化物。在正常的晶体管操作里，一个晶体管将仅仅视此条件是时间的一小部分。此条件仅当它在截止和导通条件之间转换状态时发生。CMOS逻辑将视每一时刻的电流的小脉冲为转换状态的逻辑门。热载流子注入不会发生直到门转换状态并且然后仅用一小部分的时间来完成切换。除了比在电路里发现的更苛刻的压力和终端用户不可能在最坏条件下操作设备外。在实际寿命中，磨损条件将长于10年。举例说明，考虑到有关失效的电子迁移。电子迁移有两个决定寿命周期的参数：温度和电流密度。例如，一个客户操作零件在结点温度为800C而不是1750C。其可靠性将从10年的0.99变为1310年的0.99。在10年里的可靠性实际上是1.00(无失效)。6.老化的寿命测试寿命测试的执行一般是在1250C下持续1000小时。当在1350C下运行800小时来替换时，这个时间相当于在800C下运行一年。根据上面给出过电子迁移的例子，如果在所有的金属线中有最大的电流密度，那么在磨损前仍然可剩下1309年可使用。最大量的电流密度不是寿命测试中的典型情况。老化箱不可能以他们的评估速度老化部件，因此对于此失效机理实际的应力时间将少于一年。7.假设部件这部分运用一个实例和必要的数学理论来评估失效率。图1所显示的浴盆曲线由三个概率分布组成。第一个和最后一个是对数正态分布，中间的是指数分布。对数正态分布有一概率密度函数如方程式（1）所示，两个关键的值μ和s。这些参数决定时间的定位和分布的形状。指数分布也有一个如方程式（2）所示的概率密度函数，此分布只有一个重要的参数λ。指数分布是唯一的，因为它有一个由λ来定义的恒定失效率。对数正态分布的失效率可由方程式（3）来定义，其中F（t）是累积密度函数。这是通过积分概率密度函数（从0到t）而得到的。f(t)=(1)f(t)=(2)λ(t)=(3)曲线的早期失效段是以短生存期和大可变性为特征的。通常对于这些高可靠性产品的处理包括至少168小时的老化。这些产品的抽样被安排1000到3000小时的寿命测试。典型的情况下，老化损失是少于3%且寿命测试损失接近于0。随着时间接近168小时以及σ=4，μ的值将可以计算出来，因此在1250C的温度下操作168小时后，90%的有缺陷的部件将失效，计算出来的值显示为μ=1。磨损部分可用相同的方法计算出来。Intersil使用的磨损准则是在1750C温度下10年内少于1%的失效。磨损段将非常紧密地分组地失效。10年有87,660小时。使用值2.85E+5和μ为0.5以及σ显示了部件的~1%将在1750C温度下10年内失效。最后的分布是中心段。这是部件的有用寿命。这一段的失效率的倒数是平均故障间隔时间（MTBF）。如果假定10非特（在109小时里10个故障），那么MTBF将是11,407年。这三部分都是在不同的温度下。早期失效率段使用1250C来计算，有用寿命的最大温度典型使用800C，磨损则在1750C下计算。为了等效这三个区域到同样的温度下，则要求一个激活能和Arrhenius方程。Arrhenius方程涉及到化学过程的反应速率。此方程可以用来联系不同温度下的失效机理的失效率。方程（4）列出了Arrhenius方程。其中R0是基于化学反应的一个常量，EA是过程的激活能。较高的激活能表明一个反应可通过温度大大地加速其反应速度。T值是绝对温度且k是Boltzman常量，8.62E-5eV/K.。当在使用一个加速系数时，Arrhenius方程可用方程（5）来表示，其中TUse和TStress分别是使用和应力条件的温度。（4）（5）这三个区域可以被标准化用来提供假定下的失效分布。失效率曲线的结果如图3所示。曲线A是无老化的，曲线B是1250C下75小时的老化，曲线C是1250C下1000小时的寿命测试。从图3可看出失效率随着老化较大地下降并且寿命测试只改善失效率。正如所看到的那样，磨损段不受寿命测试的影响。寿命测试仅仅是进一步地去除失效总体的早期失效段。8.结论对于高可靠性产品的磨损的开始是远离时间的。寿命测试提供了一个额外的老化以便老化部件并去除残留下的早期失效。这对于降低实用寿命期间的失效率有一定的影响。额外的寿命测试的来化时间不会伤害到其总体的固有特征。