一种新型CMOS器件长期贮存寿命评价试验方法

刘士全,徐超,秦晨飞,王健军(中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035)

一种新型CMOS器件长期贮存寿命评价试验方法

刘士全,徐超,秦晨飞,王健军
(中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035)

介绍了一种新型的可对CMOS元器件长期贮存寿命做出评价的试验方法.对CMOS元器件样品分别进行常温贮存试验和高温贮存试验,通过常温贮存试验累积试验数据,并以此研究总结CMOS元器件长期贮存性能参数变化的规律,通过高温贮存试验加速元器件常温贮存过程,在实验过程中定期对样品器件进行测试.通过对常温贮存数据和高温加速贮存数据进行比对分析,并利用阿伦尼斯模型进行数据处理,从而在较短的时间内对元器件长期贮存寿命做出评价.

∶CMOS器件;长期贮存;试验方法;数据处理

1　引言

电子产品的应用领域愈加广泛,有些电子产品的应用要求有一定的贮存期限(3年、5年或更长),有些设备要求储备一定量的产品和配套的电子元器件,并保证随时正常使用.这就对电子元器件的贮存寿命提出了要求.国内对电子元器件贮存寿命的研究已有所报道,但大多限于理论分析.随着市场经济的发展和技术的成熟,长期贮存寿命的评价对商用产品的意义不容忽视.

军品方面,长期贮存寿命要求更为迫切,现代军用装备在和平时期必须有一定的储备,长期贮存后在使用时必须保持完好的战技性能.因此要求组成武器装备的各个元器件或模块均具有较高的长期贮存性能.尤其是导弹和军需电子系统等必须适应长期贮存、随时可用和能用的特点.例如在导弹的全寿命周期过程中,其绝大多数时间处于贮存状态.

如果按照产品或武器装备常温常态下贮存的条件进行评价试验,对寿命特别长的产品来说,这种方法显然不合适.因为它需要花费很长的试验时间,甚至来不及做完寿命试验,新的产品又设计出来,老产品就要被淘汰了.因此,加大应力、缩短时间的加速寿命试验方法逐渐取代了常规的寿命试验方法.

本文通过对一款典型CMOS器件的常温贮存寿命试验数据和高温贮存寿命试验数据进行对比分析研究,讨论验证了一种新型的可对CMOS元器件长期贮存寿命做出评价的加速试验方法.

2　评价试验方法

2.1贮存寿命介绍

长期贮存寿命是指元器件从生产完成并经检验合格至装机后所属的整机系统报废时的时间;常温贮存寿命试验是指元器件在常温常态下存放,定期检测元器件的性能参数,以此判断元器件的长期贮存寿命是否能够达到预期目标的一种寿命试验方法;加速贮存寿命试验是指在短期内应用高温加速方法,使元器件长期贮存退化过程加速,从而得到元器件长期贮存的预计结果,并以此判断被评价元器件长期贮存寿命是否能够达到预期目标的一种寿命试验方法.

2.2评价试验流程

以常温贮存数据为基础,选取3个不同的高温点进行加速贮存寿命试验,通过加速贮存数据和常温数据进行对比,得到高温贮存条件相对于常温贮存条件的加速因子,根据加速因子得到加速贮存试验的时间,在该高温点下进行相应时间的加速贮存试验,试验结果即为常温特定年限储存寿命的预计结果.

将3组高温样品分别在85℃、125℃、150℃下进行加速试验,试验过程中不加电,根据试验相关规定进行定期测试,测试时样品需恢复至常温,记录测试数据,对关键参数计算平均值.试验总时间根据高温数据和常温数据对比分析确定,在达到试验总时间后,应继续进行试验,再得到两个测试点数据后结束试验.如高温数据和常温数据对比计算高温总时间超出2年,则高温时间最长按2年时间计算,做到2年时间后停止试验.

2.3评价试验要求

常温储存环境要求温度为-10～40℃,相对湿度为20%RH～85%RH;3个高温贮存温度点为150℃±5%、125℃±5%、85℃±5%;评价试验所抽取的元器件应筛选合格产品.各温度点的电路分配数量见表1,试验电路数量可根据电路特性来定,一般不少于20只.

图1　试验流程图

表1　样品分配

测试参数为全参数测试,其中IIH、IIL、Iq、VOH、VOL、Icc参数为关键参数;常温存储测试时间间隔为每336 h (14天)进行一次测试;高温存储测试时间间隔为每336 h(14天)进行一次测试;高温贮存试验的测试需要在元器件恢复到常温下进行,恢复时间为24 h.在恢复时间为4 h、8 h、12 h、24 h时分别进行测试,并记录数据.恢复时间不计入高温贮存试验时间内.

3　评价试验实测数据处理及分析

3.1单个高温点数据处理

根据某参数建立加速模型,确定加速因子,得出高温贮存时间与常温贮存时间的对应关系.取每个测试点的数据平均值作为该点的测试数据,对测试数据进行最小二乘法拟合,得到线性方程.将高温数据拟合方程的斜率与常温数据拟合方程的斜率进行比较,得到高温贮存试验对应常温储存试验的加速因子,常温储存寿命除以加速因子得到高温加速贮存试验的试验时间.

对于每一分组中参数变化量最大和参数最接近于极限值的元器件,应单独进行分析.用EXCEL软件对数据进行处理.基本操作如下:

(1)将贮存时间和测试数据平均值输入EXCEL,点击"插入图表",选择"散点图",将X轴设为时间,Y轴设为测试数据,完成图表插入.

(2)在图表中选择"添加趋势线",选择"线性",在"选项"中选择"显示公式". 3.2阿伦尼斯模型数据处理

根据阿伦尼斯方程推导出lnt～1/T,将3个高温点的测试数值及贮存时间输入到EXCEL中,处理方法同单个温度点.根据常温储存方程推导出预计贮存年限的变化量,记录在3个高温点下达到常温变化量的试验时间t,由此得出lnt;根据3个高温点得出1/T,将lnt～1/T输入到EXCEL中,进行最小二乘法拟合,得到拟合方程;将长期存储时间t=X年换算成lnt,代入拟合方程中,算出T,若T在库房储存条件(-10～40℃)范围内,则证明数据是可信的.

3.3试验实测数据分析

本次试验选取的是民用领域和军用领域使用量都非常大的一款电平转换驱动芯片,芯片型号为JS16XX45,按照第二节介绍的评价试验流程和评价试验要求,分别在常温及3个高温试验点进行了试验,目前试验已进行150天,现对测试数据中3.3 V电压下的静态电流Iq进行了数据统计及分析,实测数据如表2所示.

表2　静态电流实测数据(单位/μA)

根据实测数据,并按照单个温度点数据处理的方法,对常温数据和3个高温点数据进行了最小二乘法拟合,得到线性方程、数据变化趋势图及最小二乘法拟合线性方程,如图2～5所示.

将3个高温数据拟合方程的斜率分别与常温数据拟合方程的斜率进行比较,得到高温贮存试验对应常温储存试验的加速因子,常温储存寿命时间除以加速因子得到高温加速贮存试验的试验时间.实测结果如表3所示.

图2　常温测试数据曲线及最小二乘法拟合

图3　 85℃测试数据曲线及最小二乘法拟合

图4　 125℃测试数据曲线及最小二乘法拟合

图5　 150℃测试数据曲线及最小二乘法拟合

表3　加速因子及试验用时

根据阿伦尼斯方程推导出lnt～1/T,得到阿伦尼斯模型数据处理结果如表4所示.

表4　阿伦尼斯模型数据处理结果

将lnt～1/T数据进行最小二乘法拟合,得到拟合方程如图6所示.

图6　处理后数据曲线及最小二乘法拟合

将长期存储时间t=15年换算成lnt,代入拟合方程中,算出温度T,x=lnt=2.708 1,y=0.153 9x-0.381 9= 0.153 9X2.708 1-0.381 9=0.034 88,根据y=1/T,算出温度T=1/y=1/0.034 88=28.67℃.

根据阿伦尼斯模型数据处理规则,温度T=28.67℃在库房储存条件(-10～40℃)范围内,证明数据是可信的.

4　结论

通过对常温贮存寿命试验和高温贮存加速寿命试验实际测试数据的整理分析,并对测试数据进行最小二乘法拟合,得到线性方程.将高温数据拟合方程的斜率与常温数据拟合方程的斜率进行比较,得到高温贮存试验对应常温储存试验的加速因子,常温储存寿命除以加速因子得到高温加速贮存试验的试验时间,根据阿伦尼斯方程推导出温度T在库房储存条件范围内,证明了试验数据的准确性.并最终验证了通过常高温实验数据进行最小二乘法拟合,利用线性方程的斜率确定加速因子,通过加速因子计算高温贮存寿命的试验方法是一种准确可行的长期贮存寿命评价试验方法.

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A New Evaluation Test for Long Storage Life of CMOS Component

LIU Shiquan,XU Chao,QIN Chenfei,WANG Jianjun
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China)

The article introduces a new test method that it can evaluate the long storage life of the CMOS component in short time.Room temperature storage test and high temperature test are performed using the samples of CMOS component, respectively.The room temperature storage test is used to accumulate the data to analyze the changes of the CMOS long storage performance.And the high temperature storage test is used to accelerate the process.Periodic tests are performed during the experiment.By comparing the data and using Arrhenius relationship,the long storage life of CMOS component can be evaluated in short time.

CMOS component;long storage;test method;data processing

TN306

A

1681-1070(2016)06-0036-03

2016-2-3

刘士全(1982-),男,吉林市人,现就职于中国电子科技集团公司第五十八研究所,工程师,主要研究方向为1553B总线技术.