寧永成

（中國空間技術研究院 物資部可靠性中心，北京 100029）

0 引言

在對半導體器件有高可靠性要求的工程中，一般都會對器件進行篩選，老煉是其中一項關鍵的試驗項目。老煉時要求器件工作在最惡劣條件下，一般除要求在最大額定偏置電壓和/或最大額定功率下外，還對老煉的溫度和時間有特定要求；但是有些器件的額定最高溫度在相應標準中沒有對應的老煉時間規(guī)定，采用降溫老煉時間又很長。本文通過權威標準和規(guī)范中關于老煉溫度和時間數值關系的分析，給出了一種在高于室溫的任意溫度下確定老煉時間的方法。另外，對硅集成電路的壽命也進行了保守的估計。

1 老煉試驗的標準要求

在有高質量高可靠性要求的武器、航空、航天等工程領域，對硅半導體電路的老煉普遍采用的試驗方法是MIL-STD-883方法1015。為了追求優(yōu)異的系統(tǒng)性能和更小的體積，從20世紀90年代開始人們越來越關注商用貨架電子產品，通過特定的篩選和考核試驗，將低等級的貨架產品大量應用在武器、航天等領域。這些貨架器件的最高工作溫度一般低于軍標等級器件的125 ℃，因此國外進行了大量的試驗研究，對老煉的溫度和時間以規(guī)范形式提出了具體要求，如美國國家航宇局（NASA）EEE-INST- 002《EEE器件選擇、篩選和質量鑒定指南》和PEM- INST-001《塑封器件選擇、篩選和質量鑒定指南》。對硅集成電路的老煉溫度和時間的要求見表1，對剔除早期失效電路施加在芯片上的應力條件是等效的。

2 標準數據擬合和分析

以溫度為加速應力的恒定應力加速壽命試驗多采用阿列紐斯（Arrhenius）模型[1]。硅集成電路在加速溫度應力下的失效率數據可以通過阿列紐斯經驗公式（式(1)）被準確地轉換成較低溫度下的數據[2]。

式中：T1、T2為開氏溫度；t1、t2分別為T1、T2產生相同退化量對應的時間；K為玻耳茲曼常量，K=8.62×10-5eV/K；Ea為缺陷激活能，eV。

從式(1)中可以看出，硅集成電路的工作壽命和工作溫度T的關系為

其中t(T)為工作壽命，h；T為開氏溫度，K；a、b為實系數。

對表 1中的溫度-時間數據采用式(2)進行擬合，見圖1。

圖1 溫度-時間數據的擬合曲線Fig.1 The curve of burn-in time versus temperature

圖1擬合曲線t(T)=a×exp(b/T)，得到系數a、b分別為0.002 077 244 9和4 642.620 6，曲線的標準誤差S為1.388 425 72，相關系數r為0.999 996 42，擬合質量較理想。根據擬合得到的函數，對表1中各溫度下對應的老煉時間進行計算，結果見表2，計算得到的數值與標準要求差別很小。在老煉溫度為 100 ℃、115 ℃時，計算得到的老煉時間分別為526 h和325 h。

表2 計算得到的老煉時間Table 2 The calculated time of burn-in

根據圖1擬合曲線的函數計算125 ℃、240 h老煉等效在25 ℃時的時間為12 018.4 h，假如在125 ℃條件下某器件的MTTF（平均無故障時間）為1 000 h，那么其在 25 ℃時的等效 MTTF為 50 076.67 h≈5.72年。如果如歐空局要求工程型號用半導體電路通過125 ℃、2 000 h壽命試驗，那么可以預計在25 ℃的老煉使用條件下，其壽命可在11.4年以上。如果按要求進行降額使用，還可以延長其使用壽命，完全可以滿足一般工程型號的要求。

3 基于加速模型的分析對比

從表1中任選2組老煉溫度、時間數據，可求出Ea。如將t1=240 h、t2=120 h和T1=398.16 K、T2=423.16 K 代入式(1)，得Ea=0.403 eV。因為針對不同的失效模式，其對應的缺陷激活能不同[2]，得到的數值可以視為平均激活能。在Ea已知的條件下，將t1=240 h、T1=398.16 K、T2=298.16 K代入式(1)，可求出25℃時對應的等效時間t2=12 317.5 h，這與圖1擬合的結果很接近。假設Ea/K=b，式(1)可以寫為t1/t2=Exp[b/T1]/Exp[b/T2]，Ea=0.403 eV時，b=4 675.174，與圖1擬合得到的值4 642.620 6很接近。

當缺陷激活能Ea=0.403 eV時，由式(1)可以計算出100 ℃、115 ℃下等效于125 ℃、240 h的老煉時間分別為527.05 h和324.78 h，該結果與表2中通過擬合函數計算的數值很接近。

按上述計算得到的缺陷激活能，假如電路125℃壽命試驗的MTTF＞1 000 h，那么25℃時工作壽命約在 5.86年以上；假如按照當前半導體產業(yè)界認為的Ea已在1.0 eV水平，那么在25 ℃時可以工作50年以上，這樣即使不考慮降額也能夠滿足工程需要。

4 討論

由現(xiàn)行有效的老煉和壽命試驗標準，即使在未知其確定試驗條件理論依據的情況下，也可根據各相關標準中的數據，找出一定的規(guī)律以解決工程需要。通過上述分析可以推斷美軍標和航天規(guī)范對于半導體集成電路老煉溫度和時間的要求很可能是依據Arrhenius模型確定的。

5 結束語

通過對權威標準中關于集成電路老煉溫度、時間數據的觀察分析，采用曲線擬合的方法得到了一條擬合質量高，較接近實際情況的曲線函數，并將擬合的曲線函數與經典應力模型進行了對比，表明得到的曲線函數具有合理性，可以用來確定特殊溫度條件下集成電路老煉試驗的時間，也可用來估計其使用壽命。

（References）

[1]白云霞.基于Arrhenius模型快速評價功率VDMOS可靠性[J].Semiconductor Technology, 2009, 34(1)： 79-82

[2]Intel.Components quality/reliability handbook[G].Order Number： 210997-002, 1986