专用集成电路老炼技术研究

姚 鼎，孙家坤

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 222061）

专用集成电路老炼技术研究

姚 鼎，孙家坤

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 222061）

集成电路老炼是剔除产品早期失效的有效手段，通过对集成电路老炼试验技术的研究，以HTI2000SN集成电路老炼系统为依托，以MAX1480为例，系统介绍了专用集成电路老炼的方案设计与实现。

集成电路；老炼；MAX1480

引言

目前国内通用集成电路的筛选老炼由筛选设备生产厂家提供筛选设备和筛选老炼程序，由用户进行筛选老炼。专用集成电路的老炼由于没有专门的设备和技术一直没有开展，只有部分专门的检测机构根据自身设备的特点，自行研究开发了一部分，设备不同也不能通用，且品种太少，没有具体的规范。在系统分析某单位型号军品所使用的专用集成电路主要特性及使用状况的基础上，本文以某单位现有集成电路老炼系统HTI2000SN为基础，以专用集成电路MAX1480为例开展集成电路高温动态老炼研究，其老炼方法的研究具有很强的代表性和针对性。

1 集成电路老炼原理分析

老炼试验是通过电路加速或提前失效而不改变其失效机理的一种无损试验，根据经典反应速率理论，电路发生的击穿、腐蚀、断裂、电迁移、氧化和扩散等变化都是构成其最小物质（如原子、分子等）的化学和物理反应，并且这些反应均随着电、热等外界应力的增加而加速。也就是说温度和电应力是器件失效的最关键因素，集成电路的筛选老炼过程实质上就是在其寿命周期早期阶段施加电应力和热应力，加速器件内部潜在缺陷的暴露，以剔除早期失效产品，使合格器件迅速进入失效率恒定且较低的偶然失效期，从而保证了集成电路最终的使用可靠性。

集成电路的失效状况可由寿命浴盆曲线表示如图1所示，集成电路缺陷引起的早期失效一般产生在1 000 h以内，之后器件进入长达几十年的偶然失效期，通过老化试验可以使器件早期失效期由1 000 h缩短为几十小时。实践证明，如果提高内部温度及偏压，能加速使器件产生早期失效，图2表示失效激活能、失效时间、温度和失效激活能的关系。

图1 电子元器件寿命浴盆曲线

集成电路早期失效的反应速率与温度的关系一般用Arrhenius方程来表述：

式（1）中：

R(T)-反应速率；

A-常数；

K-波尔兹曼常数（8.63×10 - 5 eV/k）；

E-激活能（eV）；

T-绝对温度（K）。

Arrhenius方程是集成电路的老炼试验技术的理论基础，式（1）中可以看出，通过提高器件内部的温度和偏压，可以加速器件失效，缩短试验时间；另一方面可以利用加速因子可对器件的可靠性进行有效的评估。对于任何激活能来说，其加速因子都可用Arrhenius方程式来确定：

式（2）中：T0、T1，分别为应用环境条件和试验环境条件下的绝对温度。

式中温度T越高，R(T)越大，老化越快，失效率越高。对于Si材料集成电路，工作中芯片温度每提高10 ℃，其失效率将会增加约一倍。在常温额定条件下进行常规或自然老炼，需要高达1 000 h才能使器件进入偶然失效期，而在提高老炼温度的条件下，只需要几十个小时（如48 h）就可以将集成电路存在的缺陷暴露出来。

图2 失效激活能关系图

2 MAX1480老炼方法开发与实现

2.1 MAX1480性能分析

MAX1480是完备的电气隔离型RS-485/RS-422数据通信接口方案，采用混合微电路结构。收发器、光耦、电源驱动器和变压器集成在一个标准的28引脚DIP封装内提供完备的接口方案。信号和电源通过电气隔离在内部传输，电源从逻辑侧（非隔离侧）通过一个中心抽头变压器传输到电气隔离侧，信号通过高速光耦实现电气隔离。逻辑侧的+5 V单电源为接口两侧电路供电，MAX1480提供半双工通信。MAX1480B/MAX1480C的限摆率驱动能够最大程度地降低EMI，并降低电缆不良匹配造成的反射，允许以最高250 kbps的数据速率进行无误码数据传输，MAX1480A的驱动器不限制摆率，传输速率可达2.5 Mbps。

MAX1480的关断功能可使电源电流降至0.2 μA，通过SD引脚控制。利用FS引脚选择隔离电源驱动器的高、低开关频率。当FS为低电平时，驱动器工作在535 kHz较低开关频率；当FS为高电平时，驱动器工作在725 kHz较高开关频率。FS引脚内部具有弱上拉，FS浮空时能够使器件切换到高频工作模式。接收器输入具有失效保护功能，当输入开路时确保RO为逻辑高电平输出，对于MAX1480，将DE′置为高电平时使能驱动器输出。MAX1480A的驱动器使能时间典型值为0.2 μs，MAX1480B的使能时间典型值为35 μs，MAX1480C的使能时间典型值为0.5 μs。发送数据之前，需要预留时间以保证器件使能。使能后，驱动器输出将作为线驱动器。DE′为低电平时，驱动器输出为高阻态。输出为高阻时将作为线接收器。

MAX1480通常可承受1 600 VRMS（1 min）或2 000 VRMS（1 s），逻辑输入可从串联了一个电阻的TTL/CMOS逻辑电路驱动，接收到得数据输出直接驱动TTL或CMOS逻辑电路，只需采用电阻上拉。SD引脚可控制关断内部电源驱动器的振荡器。当初级侧关断时，没有电源跨过电气隔离层。然而，如果非隔离侧的驱动信号为低电平，DI和DE光耦仍将消耗电流。因此，关断模式下，请将DI′和DE′置高或浮空。在此状态下， MAX1480B/ MAX1480C电源电流降至0.2 μA。MAX1480A/ MAX1480C的内部高速光耦从VCC5（MAX1490A为VCC4）额外消耗10 mA电流，MAX1480的原理框图见图3。

图 3 MAX1480原理框图

MAX1480引脚图见图4。

2.2 MAX1480筛选老炼程序开发

图4 MAX1480引脚图

根据上述分析的MAX1480器件的特性，其内部主要功能模块有5个，分别是变压器模块模块、变压器控制模块（直流到交流的转换）、DC-DC模块、MAX1487/ MAX487模块、光电耦和器模块（3组光耦）。对该器件进行筛选老炼试验，需提供40路数字信号，每路信号具有数据、地址、控制和三态编辑功能，为了能测试一帧信号，数字信号的编程深度需达到256 Kbit以上。另外，MAX1480是28引脚DIP非标准封装的器件，其第1、2、 8、10引脚为电源VCC，5、12、16、20引脚为地GND（隔离输出端的地与输入地接在一起），9、11、15脚为输入端，13、23、25为测量端，9、11为光耦的输入端，其低电平时有效，故其低电平的输入电流需大于10 mA，15脚为光耦的阳极输出端，故要求其高电平的输出能力要大于10 mA。信号的最高频率达到1 MHz，分辨率则要求达到100 ns，能够同时满足10个器件试验，则信号的驱动能力IOHMAX!≥100 mA IOLMAX!≥50 mA，40路数字信号需由硬件产生，这些信号可通过HTI2000N系统的图形发生器来产生，并通过系统软件来控制信号的波形、幅度，电源电压及输入电平。

2.3 老炼夹具的设计制作

为了使MAX1480老炼时内部各模块都工作起来，我们在设计老炼试验线路时，充分考虑了该器件的特性，共设计了3个输入端口，DI为串行数据输入端、DE为串行数据信号输入使能端、ISO RO LED为RO的光耦控制端，三级输入工作时，可使内部的所有模块均处于工作状态，（该线路不同于常规的工作线路，如果采用常规的工作线路，则只能进行2个光耦的试验）。另外MAX1480包括MAX1480A、MAX1480B、MAX1480C三种具体型号，老化程序相同，区别只是老化板限流电阻不同。

MAX1480老炼原理图如图5。

MAX1480老炼PCB线路板图如图6。

2.4 基于HTI2000SN系统的MAX1480老炼实现

图5 MAX1480老炼板原理图

图6 PCB板截图

图7 MAX1480老炼工作流程

图8 MAX1480 老炼波形编辑

图9 MAX1480波形数据库数据

MAX1480老炼工作流程如图7。

根据MAX1480各引脚特性在相应的32路波形编辑空间中编辑老炼波形，编辑的老炼波形如图8所示。

该波形文件编辑完成后保存在数据库里，高电平为1,低电平为0。

打开数据库，如图9显示，BX1为对应的引脚号，后面数据为波形数数据。

老炼试验时只需通过HTI2000SN上位机控制软件将编辑好的器件参数发送至老炼台进行老炼。

3 结束语

随着集成电路集成度的不断提高，专用集成电路的广泛应用，如何面对专用集成电路老炼的迫切需求，开发出可操作的老炼试验规范是值得探索的。

[1] 史宝华,贾新章,张德胜,等. 微电子器件可靠性[J]. 西安：西安电子科技大学出版社, 1999.

[2] 朱明让. 元器件的可靠性技术[J]. 质量与可靠性. 2002(2)：24-27.

[3] 周育才. 电子元器件筛选方法与效果研究[J]. 航空兵器, 2001(2)：26-28.

[4] 金家峰. 产品早期失效与老化筛选[J]. 铁路通信信号工程技术, 2008(6) ： 29-32

[5] 朱卫良. 集成电路动态老化新技术的实施[J]. 电子与封装. 2008(11)：12-15.

[6] GJB 548B-2005, 微电子器件试验方法和程序[s].

Study on the Burn-in Technology of Application-specif c Integrated Circuits

YAO Ding, SUN Jia-kun
(NO.716 Institute of China shipbuilding Industry Coporation,Lianyungang 222061)

Integrated circuits burn-in technology is an effective method to eliminate the early failure of product. By studying integrated circuits burn-in test technology, and based on the IC burn-in system of HTI 2000SN, this paper takes MAX1480 as the example, and introduces systematically the burn-in conceptual design and achievement of application-specific integrated circuits.

integrated circuits; burn-in; MAX1480

TN492

A

1004-7204（2015）04-0035-06

姚鼎（1987-），男，江苏连云港人，工程师，主要从事元器件筛选检测技术研究工作。