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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)。
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。
只有在同樣的試驗(yàn)原則下進(jìn)行的評(píng)價(jià),才具有實(shí)際可比的內(nèi)涵。目前對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU 的老化,老化線路、老化頻率都由生產(chǎn)方自定,對(duì)老化方法沒(méi)有評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則,老化結(jié)果可比性差。同時(shí)也很難保證到達(dá)用戶手中CPU 的使用可靠性。因此建立一個(gè)等效的老化試驗(yàn)規(guī)范,是CPU 質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)的關(guān)鍵,也是業(yè)界非常關(guān)心的問(wèn)題。
等效老化信號(hào)的確定
要建立一個(gè)具有可比性的CPU 等效老化試驗(yàn)規(guī)范,其實(shí)質(zhì)就是將CPU 老化試驗(yàn)方案與等效老化信號(hào)確定方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。本節(jié)主要闡述如何確定集成電路的等效老化信號(hào),在后面的章節(jié)會(huì)專門討論CPU 老化試驗(yàn)方案。
老化應(yīng)力的表征
從老化原理可知,芯片溫度在老化過(guò)程中起著決定性的作用。如果產(chǎn)品的功耗相同,老化時(shí)外加的溫度和電應(yīng)力都相同,根據(jù)(2)式可知,老化芯片溫度能夠表征老化應(yīng)力強(qiáng)度。但如果考慮到芯片自身功耗的差異,僅用芯片溫度就無(wú)法表征老化應(yīng)力強(qiáng)度。產(chǎn)品老化時(shí),功耗大的產(chǎn)品所加的電應(yīng)力肯定大于功耗小的產(chǎn)品,當(dāng)然功耗大的產(chǎn)品芯片溫度也會(huì)高于功耗小的產(chǎn)品。在評(píng)估老化應(yīng)力強(qiáng)度時(shí),只比較外加電應(yīng)力的絕對(duì)大小是不夠的,必須將產(chǎn)品自身功耗的差異考慮進(jìn)去,找到一個(gè)包含自身功耗差異的老化應(yīng)力特征參數(shù)以評(píng)估老化應(yīng)力的等效性。只有這一特征參數(shù)相等,才能使不同產(chǎn)品的老化效果相同。
歸一化老化電流
集成電路的工作功耗與信號(hào)的頻率有關(guān),在晶體管翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,其功耗由三部分組成:動(dòng)態(tài)功耗、漏電功耗(靜態(tài)功耗)和短路(直流通路)功耗。其相關(guān)關(guān)系可用下式表示:
其中第一項(xiàng)是CV2f是動(dòng)態(tài)功耗,C 是一個(gè)分布電容,是由設(shè)計(jì)和工藝決定的,當(dāng)電源電壓一定,動(dòng)態(tài)功耗與信號(hào)頻率呈線性關(guān)系。(3)式中第二項(xiàng)VI peaktsf 是短路功耗,I peak是MOS 管導(dǎo)通時(shí)的峰值電流,ts 為PMOS 和NMOS 同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間。漏電功耗相對(duì)于動(dòng)態(tài)功耗和短路功耗來(lái)說(shuō)比較小,(3)式?jīng)]有考慮。由于Ipeak和ts參數(shù)在老化的過(guò)程中難以提取,本文只針對(duì)動(dòng)態(tài)功耗CV2f進(jìn)行研究。
如果老化時(shí)所加信號(hào)頻率等于其額定工作頻率,老化時(shí)由電應(yīng)力引起的芯片溫升與實(shí)際工作情況相似。但由于動(dòng)態(tài)老化是一個(gè)長(zhǎng)期的加電試驗(yàn)過(guò)程,而現(xiàn)代集成電路的工作頻率越來(lái)越高,老化用的信號(hào)源根本無(wú)法達(dá)到其額定工作頻率?,F(xiàn)代最先進(jìn)的老化設(shè)備提供的老化信號(hào)最高頻率僅為20“30MHz,而CPU 動(dòng)輒數(shù)百到數(shù)千MHz,實(shí)際上CPU 的老化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其額定工作頻率。
由于環(huán)境溫度可以人為設(shè)定,器件熱阻又為其本征特性,這樣由公式(2)決定的老化芯片溫度,只有在改變老化功耗時(shí)才發(fā)生變化。因此,老化的效果就由老化功率的高低決定。
由(3)式動(dòng)態(tài)功耗CV2f可以推得老化功耗電流的表達(dá)式:
由老化原理可知,老化功耗電流越接近實(shí)際工作時(shí)的電流,老化功率和實(shí)際應(yīng)用功率就越接近,老化就越能模擬實(shí)際應(yīng)用狀態(tài),老化應(yīng)力就越強(qiáng),其老化效果也越好。但由于老化設(shè)備在工程中不可能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平,一般老化電流都低于正常工作電流。不同的電路,只要老化電流與額定工作電流的比例系數(shù)相等,從邏輯上可以推出老化應(yīng)力水平相同。這里將老化電流與額定工作電流的比例系數(shù)稱之為“歸一化老化電流”,用α表示:
其中Iccb為老化電流,Icco為額定工作電流,“歸一化老化電流”α被定義為表征老化應(yīng)力水平的特征參數(shù)。
等效老化信號(hào)的確定
對(duì)于不同的電路,由于其設(shè)計(jì)和制造工藝不同,其額定工作電流和分布電容都不一樣,由(4)式可知,電流Icc隨信號(hào)頻率線性變化的斜率不同。因此,不同產(chǎn)品在相同的信號(hào)頻率下老化,其“歸一化老化電流”α會(huì)有較大的區(qū)別,老化應(yīng)力水平并不一致。
針對(duì)兩種功能相同,工藝和設(shè)計(jì)都不同的產(chǎn)品,老化的外圍線路圖是相同的。令兩種產(chǎn)品的“歸一化老化電流”為α,它們的額定工作電流分別為I cco1和I cco2,電流隨頻率變化的斜率分別為K1=C1V1、K2=C2V2,就可以分別確定出動(dòng)態(tài)老化信號(hào)頻率:(6),(7)式中,α是根據(jù)可靠性要求和工程情況綜合確定的,額定工作電流I cco可以測(cè)試或從產(chǎn)品手冊(cè)中查出,電流隨頻率變化的斜率k 可以通過(guò)試驗(yàn)的方法求出,等效老化的信號(hào)頻率也就隨之確定。
通用CPU 等效老化方案設(shè)計(jì)
通用CPU 老化線路設(shè)計(jì)
老化技術(shù)從靜態(tài)老化、動(dòng)態(tài)老化發(fā)展到功能性老化,功能性老化被認(rèn)為是探測(cè)器件缺陷的一種更好的方法。然而進(jìn)行功能性老化需要將測(cè)試設(shè)備與老化設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來(lái),設(shè)備非常昂貴,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有條件進(jìn)行功能性老化?;趪?guó)內(nèi)的現(xiàn)狀,文中不涉及CPU 功能性老化及老化向量集的研究,重點(diǎn)在于研究等效的CPU 動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法。
參照國(guó)內(nèi)外一些老化方案,結(jié)合對(duì)CPU486 體系結(jié)構(gòu)的研究,進(jìn)行通用CPU486 老化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)公司對(duì)通用CPU486 模擬仿真的結(jié)果可知,給CPU486 加復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào),若所給復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)能使CPU 正常復(fù)位,CPU 內(nèi)部翻轉(zhuǎn)的晶體管數(shù)可達(dá)60%~70%。僅給時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)部翻轉(zhuǎn)的晶體管數(shù)目是很少的,這一點(diǎn)從老化電流上就可反映出來(lái),兩種情況下其老化電流相差非常大,見(jiàn)圖1。在無(wú)法進(jìn)行功能性老化的情況下,采用時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)進(jìn)行CPU486 動(dòng)態(tài)老化,可使老化覆蓋率達(dá)到60”70%,不失為一種有效的工程方法。以CPU486 為例,本課題采用加時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化。老化時(shí),在時(shí)鐘端與復(fù)位端加上信號(hào),其它輸入端通過(guò)一個(gè)4.7k?的保護(hù)電阻接地或電源,使其有一個(gè)固定的狀態(tài),輸出開(kāi)路。老化狀態(tài)可通過(guò)地址狀態(tài)輸出端ADS#進(jìn)行觀察,若ADS#端有正常的輸出信號(hào),表明其老化狀態(tài)正常。
通用CPU 等效老化信號(hào)確定
通用CPU 老化時(shí)要同時(shí)加上時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào),為了使得不同產(chǎn)品在相同的“歸一化老化電流”下進(jìn)行老化,必須確定時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)頻率對(duì)CPU 老化電流的影響。
本文設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)采用了四種不同公司、不同設(shè)計(jì)、不同工藝,相同封裝的幾組樣品,有關(guān)試驗(yàn)樣品的具體信息見(jiàn)表1,其中XXX-33 為國(guó)內(nèi)某公司產(chǎn)品。
采用前面確定的通用CPU 動(dòng)態(tài)老化線路,對(duì)表1 列出的四種產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖1 是IntelDX2-66老化電源電流Icc隨Reset、CLK 信號(hào)頻率變化曲線,其他幾種產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖1 類似。
從圖1 可以看出不加Reset 信號(hào)時(shí)老化電源電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Reset 頻率不為0 的情況;Reset 頻率在500Hz、1kHz 直到10kHz,IntelDX2-66CPU486 老化電源電流Icc值隨CLK 頻率變化趨勢(shì)幾乎可以認(rèn)為是相重合的直線,說(shuō)明Reset 頻率變化對(duì)老化電流的影響不大,而老化電流隨CLK 的頻率呈線性變化,CLK 頻率對(duì)老化電流的影響十分顯著。
圖2 是在Reset 頻率為10kHz時(shí),四種不同CPU486 老化電流隨CLK 頻率變化的曲線。從圖2 可以方便地得出各款CPU486 的老化電流Icc隨CLK 頻率變化的斜率。同時(shí)從各自的數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以查出在額定頻率下的工作電流值。表2 給出了四種CPU486 老化電流隨CLK 頻率變化的斜率k 值(為實(shí)驗(yàn)值)及額定頻率下的工作電流值cc I 。
設(shè)歸一化老化電流為α,根據(jù)(6)式可分別算出四種CPU486 等效老化的時(shí)鐘信號(hào)頻率,具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。“歸一化老化電流”α的值,主要根據(jù)產(chǎn)品的額定功率、熱阻、最高結(jié)溫及老化設(shè)備能力等因素綜合確定。α的值取范圍為0“1,但α具體取什么值,主要受老化設(shè)備能力的限制,老化信號(hào)源頻率高,可以將“歸一化老化電流”α的值取得大一些,但只要所有的同類產(chǎn)品α值相同,老化的應(yīng)力水平相當(dāng)。但對(duì)于功耗特別大的產(chǎn)品,在老化時(shí)一定要注意α的取值,使老化時(shí)芯片溫度小于最高結(jié)溫的限制。
CPU老化技術(shù)難點(diǎn)、存在的問(wèn)題及解決方案
CPU老化技術(shù)難點(diǎn)、存在的問(wèn)題及解決方案
結(jié)論
通過(guò)對(duì)通用微處理器等效老化試驗(yàn)方法的研究,可以得出如下結(jié)論:1)等效老化試驗(yàn)是評(píng)估和比較不同工藝、不同設(shè)計(jì)的功能全兼容集成電路質(zhì)量和可靠性水平的重要手段;2)“歸一化老化電流”α是能夠表征等效老化應(yīng)力強(qiáng)度的特征參數(shù);3)通用CPU 可以采用本文給出的等效老化試驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和可靠性水平的有效評(píng)估和比較。
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