浅谈对集成电路加速寿命试验的认识

颜 燕，帅

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 前言

从集成电路（IC）的诞生开始，不断提升产品使用寿命一直是IC设计、制程研究开发和产品生产中的一个重要部分。在系统集成的电子信息时代，几乎所有电子产品都由众多不同种类的IC整合而成，任何一块IC的质量和可使用时间都影响到整个系统的稳定性，甚至对系统造成毁灭性的后果，而使其他原本完好的电路也变成废品。因此，集成电路的使用寿命是产品可靠性最重要的量化特征，体现了IC生产商的核心竞争力。

2 集成电路的可靠性指标

通常用于评价集成电路长期使用寿命的指标为MTTF（Mean Time To Failure，平均无故障时间），另一个常见的单位为FIT（Failure in Time），用于表征集成电路长期失效率，定义为每109元器件-小时（device-hour）所发生的失效数。二者互为反比关系，公式为MTTF=109/FIT。

自20世纪90年代初期亚微米的工艺制程，乃至2000年0.18μm的深亚微米工艺，集成电路不仅在面积上缩小了50倍以上，性能和应用范围也得到大幅提升，尤其是可靠性寿命也提升了一个量级，由数十个FIT达到了数个FIT。

图1 集成电路预计寿命发展图

3 集成电路的失效特征

集成电路的失效率与时间的关系可以用一条浴盆曲线（Bathtub Curve）来表示，见图2。

图2 集成电路失效“浴盆曲线”

大体上，集成电路的失效率分三个阶段呈现不同特征。

3.1 早期失效期

这个阶段产品的总体失效率相对偏高并快速下降，造成失效的原因在于IC设计和生产过程中的缺陷，比如离子沾污等，一般用PPM（Parts Per Million，百万分之一）表示，该阶段器件的失效率与时间的关系符合韦伯分布（Weibull Distribution）。

3.2 使用期

这个阶段产品的失效率保持稳定，失效的原因往往是随机的，比如静电放电（ESD）、电过载（EOS）或氧化层缺陷等，一般用FIT表示。该阶段器件的失效率与时间的关系符合指数分布（Exponential Distribution）。

3.3 损耗期

在这个阶段失效率会快速升高，失效的原因是产品的长期使用所造成的老化等，失效机理包括电迁移（EM）、热载流子注入（HCI）等。一般以年为单位，并要求十年以上的损耗期。该阶段器件的失效率与时间的关系符合对数正态分布（Lognormal Distribution）。

4 加速寿命试验的意义

结合以上典型集成电路产品的生命周期，可见加速寿命试验重点要解决的问题是：

（1）将处于早期失效期的产品去除，并估算产品良率；

（2）预计产品的使用寿命期限，查找失效原因，尤其是工艺、封装、存储等方面的失效原因。

针对上述两点，主要进行两项加速寿命试验，包括老炼（Burn in）试验、稳态寿命（High Temperature Operating，简称HTOL）试验，见图2。

4.1 老炼试验

老炼试验有时也被称为早期失效试验（Early Fail Test，简称EFT），在国军标GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法1015中对专用产品的试验要求做了详细规定。

老炼试验的目的是评估工艺的稳定性，加速缺陷失效速率。老炼试验要求至少125℃、160h，并加偏压的条件下对产品进行测试。测试结束后剔除由于先天原因引起的早期失效产品，并可供计算PPM。

4.2 稳态寿命试验

稳态寿命试验是评估器件长期使用失效率的方法，在国军标GJB548B-2005方法1005中对专用产品的试验要求做了详细规定。另外MIL-PRF-38535规定，对每种晶圆工艺，从每季度生产的产品中抽取样品进行至少125℃下进行1 000h或等效条件的测试，失效判据为45（0），见表1。

一般而言，通过125℃、1 000h试验的产品可以保证持续使用4年，通过2 000h试验的可保证持续使用8年；通过150℃、1 000h试验的产品可以保证持续使用8年，通过2 000h试验的可保证持续使用28年。当然，这仅仅是对电性能而言，在储存期较长且非真空包装的情况下，更多需要考虑的还包括如何防止电路吸潮、引脚锈蚀等。

表1 稳态寿命试验等效试验条件表

[1]谢国华. IC产品可靠度简介[J].电子与材料，2002, 8.

[2]微电子器件试验方法和程序[R]. GJB548B-2005.

[3]MIL-PRF-38535H. PERFORMANCE SPECIFICATION：INTEGRATED CIRCUITS（MICROCIRCUITS）MANUFACTURING[A]. United States Department of Defense. 2007.