管光寶，尹 穎，章慧彬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

我國軍用武器裝備的發(fā)展非常迅速，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的系統(tǒng)化、小型化和智能化。電子元器件特別是集成電路在系統(tǒng)中所占比重越來越多。主戰(zhàn)裝備的重要功能，往往依靠關(guān)鍵電子元器件的技術(shù)突破，“一代器件，一代整機(jī)，一代裝備”；而裝備的研制風(fēng)險(xiǎn)常常表現(xiàn)為電子元器件的質(zhì)量控制。只有提高元器件的可靠性水平，才能使得武器裝備的水平得到質(zhì)的飛躍。

裝備發(fā)展對(duì)微電子可靠性需求概括為三個(gè)方面，低失效率、長壽命、好的抗惡劣環(huán)境性能。根據(jù)裝備系統(tǒng)的使用及環(huán)境要求不同，對(duì)可靠性的要求各側(cè)重點(diǎn)不同，但無論對(duì)于哪種裝備平臺(tái)，低失效率和長壽命是基本要求。如何保障其可靠性與預(yù)測其壽命是值得深入研究的重要問題。越來越多的單位，特別是航空航天系統(tǒng)的單位，對(duì)其選用的產(chǎn)品提出了具有32年貯存壽命要求的高可靠性指標(biāo)。而如何確保其選用的產(chǎn)品就是高可靠壽命產(chǎn)品是一個(gè)重大的問題，即元器件長儲(chǔ)壽命可靠性如何考核是國內(nèi)長期沒有得到合理解決的重大問題。

2 元器件壽命可靠性

對(duì)在2006年～2010年期間，～采用的典型器件的篩選和檢驗(yàn)中的質(zhì)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

表1為基于1.0 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)的兩個(gè)GAL產(chǎn)品的高溫貯存和老煉后的測試失效情況統(tǒng)計(jì)表。

表2為基于0.5 μm單多晶三鋁N阱CMOS工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)的語音電路產(chǎn)品的高溫貯存和老煉后的測試失效情況統(tǒng)計(jì)表。

表1 兩個(gè)GAL產(chǎn)品的高溫貯存和老煉后的測試失效情況統(tǒng)計(jì)表

表2 語音電路產(chǎn)品的高溫貯存和老煉后的測試失效情況統(tǒng)計(jì)表

從表1、表2的數(shù)據(jù)分析，在篩選過程中，器件的失效主要集中在高溫貯存和老煉后的測試中。雖經(jīng)過篩選，剔除了早期失效的器件，但不能預(yù)計(jì)出這些軍用集成電路在實(shí)際工程應(yīng)用中的工作壽命水平，更不能評(píng)價(jià)出這些軍用集成電路在通常環(huán)境下的存儲(chǔ)壽命。GAL電路采用的是1.0 μm雙阱、單多晶、雙鋁EECMOS工藝，該工藝是目前GAL器件流片采用的典型工藝。幾乎60%產(chǎn)品采用該工藝制造，產(chǎn)品應(yīng)用于通信、航天、航空等多個(gè)領(lǐng)域。故采用了GAL通用可編程邏輯器件進(jìn)行可靠性壽命評(píng)估方法的驗(yàn)證。該試驗(yàn)主要用溫度加速試驗(yàn)的方式來預(yù)計(jì)這種典型工藝研制的軍用集成電路在實(shí)際工程應(yīng)用中的工作壽命水平。

3 貯存壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)步驟

我們采用的是以溫度應(yīng)力作為貯存壽命評(píng)估的加速應(yīng)力，主要依據(jù)的理論公式為阿倫尼斯經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)Arrhenius模型，加速系數(shù)按式（1）計(jì)算：

其中：

Ea—激活能；

k —波爾茲曼常數(shù)（0.861 7×10-4eV/K）；

T1—加速試驗(yàn)溫度；

T2—常溫貯存溫度，取298 K（即25 ℃）。

3.1 確定激活能

元器件在貯存的條件下，根據(jù)主要失效機(jī)理，對(duì)照電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)第七卷16.2節(jié)表16-4，可查得其失效激活能的參考值。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 確定樣品

試驗(yàn)樣品必須在合格的批量產(chǎn)品中隨機(jī)柚取，對(duì)于半導(dǎo)體集成電路，采用45（0）的LTPT=5抽樣方案（即45只試驗(yàn)樣品均應(yīng)滿足貯存壽命要求），其內(nèi)涵為：使用方風(fēng)險(xiǎn)為10%時(shí)，有95%的被考核元器件的貯存壽命應(yīng)滿足可靠性水平。

3.3 確定試驗(yàn)溫度

為了縮短貯存壽命試驗(yàn)的時(shí)間，可選取盡可能高的試驗(yàn)溫度，但該溫度不得改變?cè)骷馁A存失效機(jī)理。故根據(jù)產(chǎn)品貯存溫度范圍（-65～+150 ℃），一般選取上限溫度做為試驗(yàn)溫度。

3.4 確定試驗(yàn)截止時(shí)間

根據(jù)試驗(yàn)溫度和加速系數(shù)確定，計(jì)算公式如下：

其中：

ξ1—試驗(yàn)時(shí)間；

ξ0—常溫貯存壽命；

α —加速系數(shù)。

根據(jù)式（1）可計(jì)算得加速系數(shù)α，再由式（2）可得試驗(yàn)時(shí)間。

3.5 測量

根據(jù)器件的特點(diǎn)，采用器件功能、關(guān)鍵靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的參數(shù)作為其敏感參數(shù)。根據(jù)器件功能是否正?；騾?shù)退化的變化量＞初始值的20%，用來判別該器件在經(jīng)過試驗(yàn)后是否失效。

從試驗(yàn)箱取出受試樣品，在室溫下恢復(fù)2～4 h后（對(duì)工作壽命試驗(yàn)需恢復(fù)到室溫后，再去掉規(guī)定的偏置條件），除另有規(guī)定外，測試應(yīng)在器件去掉規(guī)定的試驗(yàn)條件（即去掉加熱條件或者去掉偏置條件）后的96 h內(nèi)完成。

4 驗(yàn)證工作

（1）抽樣：現(xiàn)采用GAL通用可編程邏輯器件進(jìn)行工作壽命評(píng)估試驗(yàn)，從已經(jīng)完成篩選的產(chǎn)品中，隨機(jī)抽取45只樣品。

（2）定級(jí)：選取貯存指標(biāo)為25年的貯存壽命。

（3）確定試驗(yàn)溫度和時(shí)間：根據(jù)GAL器件在貯存的條件下，主要失效機(jī)理為鈍化層的離子和鋁離子遷移，其激活能的參考值為0.43 eV；溫度選取產(chǎn)品貯存溫度范圍上限150 ℃，通過這兩者可計(jì)算出加速系數(shù)為140.95，即可知該溫度所需的試驗(yàn)時(shí)間為1 554 h。

（4）失效判據(jù)：根據(jù)GAL器件的特點(diǎn)，我們確定采用器件功能FUN、輸入低電平電流Iil、輸出高電平電壓Vol以及動(dòng)態(tài)電流Ia作為其敏感參數(shù)，三個(gè)敏感參數(shù)（Iil、Vol和Ia）的變化量＞初始值20%，用來判別該器件在經(jīng)過試驗(yàn)后是否失效。

（5）試驗(yàn)過程：最終確定的試驗(yàn)條件為總試驗(yàn)時(shí)間1 554 h、試驗(yàn)溫度150 ℃。

試驗(yàn)測試結(jié)果見表3。

（6）結(jié)果分析：測試的結(jié)果顯示在經(jīng)過1 554 h的高溫貯存壽命后，45個(gè)器件未發(fā)生功能失效，三個(gè)敏感參數(shù)的變化也未超出初始值20%的范圍。

通過以上試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出集成電路可靠性貯存壽命評(píng)估方法能夠準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)集成電路貯存壽命可靠性水平。

5 評(píng)估結(jié)論

利用貯存壽命對(duì)集成電路可靠性水平進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，對(duì)GAL器件可靠性水平進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)證：該器件在常溫環(huán)境下能夠貯存25年不發(fā)生器件失效或主要參數(shù)漂移不超過規(guī)范值。集成電路可靠性壽命評(píng)價(jià)方法的使用，可以預(yù)計(jì)出軍用集成電路在通常環(huán)境下的存儲(chǔ)壽命，從而為主戰(zhàn)裝備的可靠性評(píng)估提供元器件級(jí)的可靠性數(shù)據(jù)。

該項(xiàng)評(píng)估結(jié)果和方法，可為今后在其他工藝產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證工作提供參考依據(jù)；在此基礎(chǔ)上，我們可以開展更多的可靠性技術(shù)研究，為軍用集成電路整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究提供共享技術(shù)。

∶

[1] 孫俊人，邊拱，等.電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)[M].

[2] 羅雯，魏建中，陽輝，等.電子元器件可靠性試驗(yàn)工程[M].