通用微處理器等效老化試驗(yàn)方法分析與研究

　　摘要：針對(duì)不同工藝、不同設(shè)計(jì)的功能全兼容集成電路等效老化的需要，提取出了集成電路等效老化的特征參數(shù)—“歸一化老化電流”指標(biāo)α，并討論了等效老化信號(hào)的確定方法。結(jié)合集成電路等效老化信號(hào)確定方法，以CPU486為研究對(duì)象，給出通用CPU 等效老化試驗(yàn)方案，為評(píng)估和比較不同CPU 的質(zhì)量和可靠性提供了統(tǒng)一的試驗(yàn)平臺(tái)。

　　關(guān)鍵詞：微處理器（CPU）；等效老化；歸一化老化電流；信號(hào)頻率

　　引言

　　老化是一種能夠?qū)a(chǎn)品早期故障剔除的無(wú)損篩選試驗(yàn)技術(shù)。集成電路的老化過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)對(duì)其施加應(yīng)力，加速其內(nèi)部潛在缺陷暴露的過(guò)程。經(jīng)過(guò)老化，可以使有缺陷的集成電路在上機(jī)使用前失效，從而保證了集成電路最終的使用可靠性。老化的作用主要有兩方面，一是剔除有缺陷的、可能發(fā)生早期失效的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的使用可靠性；二是評(píng)估和比較不同產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平。

　　近年來(lái)，國(guó)家通過(guò)各種途徑大力扶持微處理器（CPU）產(chǎn)品的研發(fā)，已相繼研制出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CPU 產(chǎn)品。相對(duì)于先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，國(guó)產(chǎn)CPU 質(zhì)量和可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)研究相對(duì)滯后。目前國(guó)內(nèi)CPU 老化試驗(yàn)方案都是由研制單位自己制訂，不同廠家的老化方案間存在較大的差距。如額定工作頻率為33MHz 的CPU，有的單位將老化時(shí)鐘頻率定為1MHz，有的將老化時(shí)鐘頻率定為20MHz，這樣老化應(yīng)力強(qiáng)度和老化效果完全沒(méi)有可比性，因此無(wú)法通過(guò)老化試驗(yàn)進(jìn)行CPU 產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性水平的評(píng)估和比較。作為用戶，希望通過(guò)質(zhì)量和可靠性試驗(yàn)，評(píng)估出更為理想的產(chǎn)品。因此，對(duì)CPU 進(jìn)行等效老化試驗(yàn)技術(shù)的研究，成為CPU 質(zhì)量和可靠性評(píng)估急需解決的問(wèn)題之一?；谶@樣的技術(shù)需求，為了解決公正、科學(xué)地評(píng)估和比較不同CPU 的質(zhì)量和可靠性水平，本文進(jìn)行了通用CPU 等效老化試驗(yàn)技術(shù)的研究。

　　CPU 老化試驗(yàn)技術(shù)動(dòng)態(tài)

　　老化試驗(yàn)原理

　　集成電路的老化過(guò)程，實(shí)際上是在強(qiáng)環(huán)境溫度應(yīng)力下，通過(guò)對(duì)其施加電應(yīng)力模擬其正常工作，使故障盡早出現(xiàn)。老化試驗(yàn)的目的是保證產(chǎn)品的使用可靠性和評(píng)估產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性水平。集成電路的老化試驗(yàn)退化模型服從Arrhenius 方程，式（1）為Arrhenius 方程:

　　式中?R（T）是溫度T（為絕對(duì)溫度K）時(shí)的反應(yīng)速率，A 為一系數(shù)，E a 為對(duì)應(yīng)的反應(yīng)激活能，k為Boltzmann 常數(shù)。溫度T 越高，R（T）越大，退化越快，失效率越高，器件的平均無(wú)故障工作時(shí)間也越短。許多文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)表明，對(duì)于Si 材料集成電路，在工作過(guò)程中，芯片溫度每提高10C，器件的失效率約會(huì)增加一倍。因此，芯片溫度在老化過(guò)程中起著決定性的作用，老化試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力強(qiáng)弱可以歸結(jié)為芯片溫度的高低。

　　老化時(shí)，芯片溫度一般可以用下式描述：

　　其中，TJ表示芯片溫度，TA 是指環(huán)境溫度，P 為芯片工作功耗，θJA?是芯片到環(huán)境的熱阻。由于TA可以設(shè)置成相同的值，所以要確定老化時(shí)芯片溫度TJ的關(guān)鍵就在于確定功率P 與熱阻θJA?的乘積。

　　在老化試驗(yàn)中，外界可以控制的應(yīng)力只有環(huán)境溫度和電應(yīng)力，以及被試器件的散熱條件。同樣的老化箱，其中空氣的流速都是相同的，器件的熱阻主要由芯片封裝結(jié)構(gòu)、材料和工藝決定，屬于器件的本征特性。熱阻特性的好壞與芯片功耗一樣，由其設(shè)計(jì)和制造決定，熱阻越小，產(chǎn)品的可靠性越高。在進(jìn)行質(zhì)量和可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)其本征的特性熱阻是必須進(jìn)行考核的，這樣在考慮老化試驗(yàn)方案時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)該放在老化功耗上。

　　隨著集成電路設(shè)計(jì)線寬的不斷縮小，由等比縮小效應(yīng)引起的漏功耗不可避免地增大，為了提高可靠性，集成電路紛紛采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。同一類產(chǎn)品，由不同的公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，盡管功能完全一樣，其功耗卻相差很大，功耗低的產(chǎn)品，工作時(shí)的芯片溫度肯定低于功耗高的產(chǎn)品。如果在老化時(shí)僅僅考慮芯片溫度，使功耗低的產(chǎn)品與功耗高的產(chǎn)品芯片溫度一致，是不符合實(shí)際應(yīng)用情況的，因而是不科學(xué)的，必須研究能夠表征等效老化應(yīng)力的物理量，以評(píng)估老化試驗(yàn)的等效性。

　　CPU 老化技術(shù)難點(diǎn)和存在問(wèn)題

　　從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，CPU 老化與傳統(tǒng)的集成電路老化的原理和作用是相同的。一般對(duì)于普通的組合邏輯電路，可以選取敏化通路法老化，對(duì)于單一的時(shí)序邏輯電路則可以采用狀態(tài)變遷檢查法老化。但對(duì)于CPU 這種功能非常復(fù)雜，集成的邏輯和存儲(chǔ)功能模塊繁多的芯片，簡(jiǎn)單的老化方法難以達(dá)到全面老化的目的。

　　迄今為止，國(guó)內(nèi)CPU 的老化仍然參照MIL-STD-883“微電子器件試驗(yàn)方法”中方法1005A，該方法規(guī)定了老化環(huán)境溫度及盡可能模擬實(shí)際應(yīng)用的電激勵(lì)等試驗(yàn)條件，但沒(méi)有考慮到工藝變化對(duì)VLSI芯片特性的影響。隨著CPU 的工作頻率不斷上升，芯片漏功耗急劇增加，老化時(shí)芯片自身功耗發(fā)熱對(duì)芯片溫度的影響成為必須考慮的因素。如何根據(jù)不同的工藝條件來(lái)確定老化頻率是CPU 老化試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

　　老化向量集的確定是CPU 老化試驗(yàn)中遇到的另一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)CPU 老化而言，老化向量集和老化頻率一樣是十分重要的。不同的老化向量集，對(duì)CPU 內(nèi)部單元的覆蓋率千差萬(wàn)別，老化效果相差非常大。不同電路之間，只有其內(nèi)部單元的覆蓋率水平相當(dāng)時(shí)，才能獲得同等的老化效果。