IC长贮存寿命评价方法

管光宝，尹 颖，章慧彬

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

我国军用武器装备的发展非常迅速，主要表现在系统的系统化、小型化和智能化。电子元器件特别是集成电路在系统中所占比重越来越多。主战装备的重要功能，往往依靠关键电子元器件的技术突破，“一代器件，一代整机，一代装备”；而装备的研制风险常常表现为电子元器件的质量控制。只有提高元器件的可靠性水平，才能使得武器装备的水平得到质的飞跃。

装备发展对微电子可靠性需求概括为三个方面，低失效率、长寿命、好的抗恶劣环境性能。根据装备系统的使用及环境要求不同，对可靠性的要求各侧重点不同，但无论对于哪种装备平台，低失效率和长寿命是基本要求。如何保障其可靠性与预测其寿命是值得深入研究的重要问题。越来越多的单位，特别是航空航天系统的单位，对其选用的产品提出了具有32年贮存寿命要求的高可靠性指标。而如何确保其选用的产品就是高可靠寿命产品是一个重大的问题，即元器件长储寿命可靠性如何考核是国内长期没有得到合理解决的重大问题。

2 元器件寿命可靠性

对在2006年～2010年期间，～采用的典型器件的筛选和检验中的质量情况进行统计和分析。

表1为基于1.0 μm标准CMOS工艺生产线生产的两个GAL产品的高温贮存和老炼后的测试失效情况统计表。

表2为基于0.5 μm单多晶三铝N阱CMOS工艺生产线生产的语音电路产品的高温贮存和老炼后的测试失效情况统计表。

表1 两个GAL产品的高温贮存和老炼后的测试失效情况统计表

表2 语音电路产品的高温贮存和老炼后的测试失效情况统计表

从表1、表2的数据分析，在筛选过程中，器件的失效主要集中在高温贮存和老炼后的测试中。虽经过筛选，剔除了早期失效的器件，但不能预计出这些军用集成电路在实际工程应用中的工作寿命水平，更不能评价出这些军用集成电路在通常环境下的存储寿命。GAL电路采用的是1.0 μm双阱、单多晶、双铝EECMOS工艺，该工艺是目前GAL器件流片采用的典型工艺。几乎60%产品采用该工艺制造，产品应用于通信、航天、航空等多个领域。故采用了GAL通用可编程逻辑器件进行可靠性寿命评估方法的验证。该试验主要用温度加速试验的方式来预计这种典型工艺研制的军用集成电路在实际工程应用中的工作寿命水平。

3 贮存寿命评价试验步骤

我们采用的是以温度应力作为贮存寿命评估的加速应力，主要依据的理论公式为阿伦尼斯经验公式。根据Arrhenius模型，加速系数按式（1）计算：

其中：

Ea—激活能；

k —波尔兹曼常数（0.861 7×10-4eV/K）；

T1—加速试验温度；

T2—常温贮存温度，取298 K（即25 ℃）。

3.1 确定激活能

元器件在贮存的条件下，根据主要失效机理，对照电子工业生产技术手册第七卷16.2节表16-4，可查得其失效激活能的参考值。

表3 试验结果

3.2 确定样品

试验样品必须在合格的批量产品中随机柚取，对于半导体集成电路，采用45（0）的LTPT=5抽样方案（即45只试验样品均应满足贮存寿命要求），其内涵为：使用方风险为10%时，有95%的被考核元器件的贮存寿命应满足可靠性水平。

3.3 确定试验温度

为了缩短贮存寿命试验的时间，可选取尽可能高的试验温度，但该温度不得改变元器件的贮存失效机理。故根据产品贮存温度范围（-65～+150 ℃），一般选取上限温度做为试验温度。

3.4 确定试验截止时间

根据试验温度和加速系数确定，计算公式如下：

其中：

ξ1—试验时间；

ξ0—常温贮存寿命；

α —加速系数。

根据式（1）可计算得加速系数α，再由式（2）可得试验时间。

3.5 测量

根据器件的特点，采用器件功能、关键静态或动态的参数作为其敏感参数。根据器件功能是否正常或参数退化的变化量＞初始值的20%，用来判别该器件在经过试验后是否失效。

从试验箱取出受试样品，在室温下恢复2～4 h后（对工作寿命试验需恢复到室温后，再去掉规定的偏置条件），除另有规定外，测试应在器件去掉规定的试验条件（即去掉加热条件或者去掉偏置条件）后的96 h内完成。

4 验证工作

（1）抽样：现采用GAL通用可编程逻辑器件进行工作寿命评估试验，从已经完成筛选的产品中，随机抽取45只样品。

（2）定级：选取贮存指标为25年的贮存寿命。

（3）确定试验温度和时间：根据GAL器件在贮存的条件下，主要失效机理为钝化层的离子和铝离子迁移，其激活能的参考值为0.43 eV；温度选取产品贮存温度范围上限150 ℃，通过这两者可计算出加速系数为140.95，即可知该温度所需的试验时间为1 554 h。

（4）失效判据：根据GAL器件的特点，我们确定采用器件功能FUN、输入低电平电流Iil、输出高电平电压Vol以及动态电流Ia作为其敏感参数，三个敏感参数（Iil、Vol和Ia）的变化量＞初始值20%，用来判别该器件在经过试验后是否失效。

（5）试验过程：最终确定的试验条件为总试验时间1 554 h、试验温度150 ℃。

试验测试结果见表3。

（6）结果分析：测试的结果显示在经过1 554 h的高温贮存寿命后，45个器件未发生功能失效，三个敏感参数的变化也未超出初始值20%的范围。

通过以上试验验证，可以得出集成电路可靠性贮存寿命评估方法能够准确有效地评价集成电路贮存寿命可靠性水平。

5 评估结论

利用贮存寿命对集成电路可靠性水平进行评价的方法，对GAL器件可靠性水平进行评价验证：该器件在常温环境下能够贮存25年不发生器件失效或主要参数漂移不超过规范值。集成电路可靠性寿命评价方法的使用，可以预计出军用集成电路在通常环境下的存储寿命，从而为主战装备的可靠性评估提供元器件级的可靠性数据。

该项评估结果和方法，可为今后在其他工艺产品进行可靠性试验验证工作提供参考依据；在此基础上，我们可以开展更多的可靠性技术研究，为军用集成电路整个行业的产品可靠性技术研究提供共享技术。

∶

[1] 孙俊人，边拱，等.电子工业生产技术手册[M].

[2] 罗雯，魏建中，阳辉，等.电子元器件可靠性试验工程[M].