姚 鼎，孫家坤

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222061）

專用集成電路老煉技術(shù)研究

姚 鼎，孫家坤

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222061）

集成電路老煉是剔除產(chǎn)品早期失效的有效手段，通過對(duì)集成電路老煉試驗(yàn)技術(shù)的研究，以HTI2000SN集成電路老煉系統(tǒng)為依托，以MAX1480為例，系統(tǒng)介紹了專用集成電路老煉的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

集成電路；老煉；MAX1480

引言

目前國內(nèi)通用集成電路的篩選老煉由篩選設(shè)備生產(chǎn)廠家提供篩選設(shè)備和篩選老煉程序，由用戶進(jìn)行篩選老煉。專用集成電路的老煉由于沒有專門的設(shè)備和技術(shù)一直沒有開展，只有部分專門的檢測機(jī)構(gòu)根據(jù)自身設(shè)備的特點(diǎn)，自行研究開發(fā)了一部分，設(shè)備不同也不能通用，且品種太少，沒有具體的規(guī)范。在系統(tǒng)分析某單位型號(hào)軍品所使用的專用集成電路主要特性及使用狀況的基礎(chǔ)上，本文以某單位現(xiàn)有集成電路老煉系統(tǒng)HTI2000SN為基礎(chǔ)，以專用集成電路MAX1480為例開展集成電路高溫動(dòng)態(tài)老煉研究，其老煉方法的研究具有很強(qiáng)的代表性和針對(duì)性。

1 集成電路老煉原理分析

老煉試驗(yàn)是通過電路加速或提前失效而不改變其失效機(jī)理的一種無損試驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)典反應(yīng)速率理論，電路發(fā)生的擊穿、腐蝕、斷裂、電遷移、氧化和擴(kuò)散等變化都是構(gòu)成其最小物質(zhì)（如原子、分子等）的化學(xué)和物理反應(yīng)，并且這些反應(yīng)均隨著電、熱等外界應(yīng)力的增加而加速。也就是說溫度和電應(yīng)力是器件失效的最關(guān)鍵因素，集成電路的篩選老煉過程實(shí)質(zhì)上就是在其壽命周期早期階段施加電應(yīng)力和熱應(yīng)力，加速器件內(nèi)部潛在缺陷的暴露，以剔除早期失效產(chǎn)品，使合格器件迅速進(jìn)入失效率恒定且較低的偶然失效期，從而保證了集成電路最終的使用可靠性。

集成電路的失效狀況可由壽命浴盆曲線表示如圖1所示，集成電路缺陷引起的早期失效一般產(chǎn)生在1 000 h以內(nèi)，之后器件進(jìn)入長達(dá)幾十年的偶然失效期，通過老化試驗(yàn)可以使器件早期失效期由1 000 h縮短為幾十小時(shí)。實(shí)踐證明，如果提高內(nèi)部溫度及偏壓，能加速使器件產(chǎn)生早期失效，圖2表示失效激活能、失效時(shí)間、溫度和失效激活能的關(guān)系。

圖1 電子元器件壽命浴盆曲線

集成電路早期失效的反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系一般用Arrhenius方程來表述：

式（1）中：

R(T)-反應(yīng)速率；

A-常數(shù)；

K-波爾茲曼常數(shù)（8.63×10 - 5 eV/k）；

E-激活能（eV）；

T-絕對(duì)溫度（K）。

Arrhenius方程是集成電路的老煉試驗(yàn)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，式（1）中可以看出，通過提高器件內(nèi)部的溫度和偏壓，可以加速器件失效，縮短試驗(yàn)時(shí)間；另一方面可以利用加速因子可對(duì)器件的可靠性進(jìn)行有效的評(píng)估。對(duì)于任何激活能來說，其加速因子都可用Arrhenius方程式來確定：

式（2）中：T0、T1，分別為應(yīng)用環(huán)境條件和試驗(yàn)環(huán)境條件下的絕對(duì)溫度。

式中溫度T越高，R(T)越大，老化越快，失效率越高。對(duì)于Si材料集成電路，工作中芯片溫度每提高10 ℃，其失效率將會(huì)增加約一倍。在常溫額定條件下進(jìn)行常規(guī)或自然老煉，需要高達(dá)1 000 h才能使器件進(jìn)入偶然失效期，而在提高老煉溫度的條件下，只需要幾十個(gè)小時(shí)（如48 h）就可以將集成電路存在的缺陷暴露出來。

圖2 失效激活能關(guān)系圖

2 MAX1480老煉方法開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 MAX1480性能分析

MAX1480是完備的電氣隔離型RS-485/RS-422數(shù)據(jù)通信接口方案，采用混合微電路結(jié)構(gòu)。收發(fā)器、光耦、電源驅(qū)動(dòng)器和變壓器集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的28引腳DIP封裝內(nèi)提供完備的接口方案。信號(hào)和電源通過電氣隔離在內(nèi)部傳輸，電源從邏輯側(cè)（非隔離側(cè)）通過一個(gè)中心抽頭變壓器傳輸?shù)诫姎飧綦x側(cè)，信號(hào)通過高速光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離。邏輯側(cè)的+5 V單電源為接口兩側(cè)電路供電，MAX1480提供半雙工通信。MAX1480B/MAX1480C的限擺率驅(qū)動(dòng)能夠最大程度地降低EMI，并降低電纜不良匹配造成的反射，允許以最高250 kbps的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行無誤碼數(shù)據(jù)傳輸，MAX1480A的驅(qū)動(dòng)器不限制擺率，傳輸速率可達(dá)2.5 Mbps。

MAX1480的關(guān)斷功能可使電源電流降至0.2 μA，通過SD引腳控制。利用FS引腳選擇隔離電源驅(qū)動(dòng)器的高、低開關(guān)頻率。當(dāng)FS為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作在535 kHz較低開關(guān)頻率；當(dāng)FS為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作在725 kHz較高開關(guān)頻率。FS引腳內(nèi)部具有弱上拉，F(xiàn)S浮空時(shí)能夠使器件切換到高頻工作模式。接收器輸入具有失效保護(hù)功能，當(dāng)輸入開路時(shí)確保RO為邏輯高電平輸出，對(duì)于MAX1480，將DE′置為高電平時(shí)使能驅(qū)動(dòng)器輸出。MAX1480A的驅(qū)動(dòng)器使能時(shí)間典型值為0.2 μs，MAX1480B的使能時(shí)間典型值為35 μs，MAX1480C的使能時(shí)間典型值為0.5 μs。發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要預(yù)留時(shí)間以保證器件使能。使能后，驅(qū)動(dòng)器輸出將作為線驅(qū)動(dòng)器。DE′為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出為高阻態(tài)。輸出為高阻時(shí)將作為線接收器。

MAX1480通?？沙惺? 600 VRMS（1 min）或2 000 VRMS（1 s），邏輯輸入可從串聯(lián)了一個(gè)電阻的TTL/CMOS邏輯電路驅(qū)動(dòng)，接收到得數(shù)據(jù)輸出直接驅(qū)動(dòng)TTL或CMOS邏輯電路，只需采用電阻上拉。SD引腳可控制關(guān)斷內(nèi)部電源驅(qū)動(dòng)器的振蕩器。當(dāng)初級(jí)側(cè)關(guān)斷時(shí)，沒有電源跨過電氣隔離層。然而，如果非隔離側(cè)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，DI和DE光耦仍將消耗電流。因此，關(guān)斷模式下，請將DI′和DE′置高或浮空。在此狀態(tài)下， MAX1480B/ MAX1480C電源電流降至0.2 μA。MAX1480A/ MAX1480C的內(nèi)部高速光耦從VCC5（MAX1490A為VCC4）額外消耗10 mA電流，MAX1480的原理框圖見圖3。

圖 3 MAX1480原理框圖

MAX1480引腳圖見圖4。

2.2 MAX1480篩選老煉程序開發(fā)

圖4 MAX1480引腳圖

根據(jù)上述分析的MAX1480器件的特性，其內(nèi)部主要功能模塊有5個(gè)，分別是變壓器模塊模塊、變壓器控制模塊（直流到交流的轉(zhuǎn)換）、DC-DC模塊、MAX1487/ MAX487模塊、光電耦和器模塊（3組光耦）。對(duì)該器件進(jìn)行篩選老煉試驗(yàn)，需提供40路數(shù)字信號(hào)，每路信號(hào)具有數(shù)據(jù)、地址、控制和三態(tài)編輯功能，為了能測試一幀信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的編程深度需達(dá)到256 Kbit以上。另外，MAX1480是28引腳DIP非標(biāo)準(zhǔn)封裝的器件，其第1、2、 8、10引腳為電源VCC，5、12、16、20引腳為地GND（隔離輸出端的地與輸入地接在一起），9、11、15腳為輸入端，13、23、25為測量端，9、11為光耦的輸入端，其低電平時(shí)有效，故其低電平的輸入電流需大于10 mA，15腳為光耦的陽極輸出端，故要求其高電平的輸出能力要大于10 mA。信號(hào)的最高頻率達(dá)到1 MHz，分辨率則要求達(dá)到100 ns，能夠同時(shí)滿足10個(gè)器件試驗(yàn)，則信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力IOHMAX!≥100 mA IOLMAX!≥50 mA，40路數(shù)字信號(hào)需由硬件產(chǎn)生，這些信號(hào)可通過HTI2000N系統(tǒng)的圖形發(fā)生器來產(chǎn)生，并通過系統(tǒng)軟件來控制信號(hào)的波形、幅度，電源電壓及輸入電平。

2.3 老煉夾具的設(shè)計(jì)制作

為了使MAX1480老煉時(shí)內(nèi)部各模塊都工作起來，我們在設(shè)計(jì)老煉試驗(yàn)線路時(shí)，充分考慮了該器件的特性，共設(shè)計(jì)了3個(gè)輸入端口，DI為串行數(shù)據(jù)輸入端、DE為串行數(shù)據(jù)信號(hào)輸入使能端、ISO RO LED為RO的光耦控制端，三級(jí)輸入工作時(shí)，可使內(nèi)部的所有模塊均處于工作狀態(tài)，（該線路不同于常規(guī)的工作線路，如果采用常規(guī)的工作線路，則只能進(jìn)行2個(gè)光耦的試驗(yàn)）。另外MAX1480包括MAX1480A、MAX1480B、MAX1480C三種具體型號(hào)，老化程序相同，區(qū)別只是老化板限流電阻不同。

MAX1480老煉原理圖如圖5。

MAX1480老煉PCB線路板圖如圖6。

2.4 基于HTI2000SN系統(tǒng)的MAX1480老煉實(shí)現(xiàn)

圖5 MAX1480老煉板原理圖

圖6 PCB板截圖

圖7 MAX1480老煉工作流程

圖8 MAX1480 老煉波形編輯

圖9 MAX1480波形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

MAX1480老煉工作流程如圖7。

根據(jù)MAX1480各引腳特性在相應(yīng)的32路波形編輯空間中編輯老煉波形，編輯的老煉波形如圖8所示。

該波形文件編輯完成后保存在數(shù)據(jù)庫里，高電平為1,低電平為0。

打開數(shù)據(jù)庫，如圖9顯示，BX1為對(duì)應(yīng)的引腳號(hào)，后面數(shù)據(jù)為波形數(shù)數(shù)據(jù)。

老煉試驗(yàn)時(shí)只需通過HTI2000SN上位機(jī)控制軟件將編輯好的器件參數(shù)發(fā)送至老煉臺(tái)進(jìn)行老煉。

3 結(jié)束語

隨著集成電路集成度的不斷提高，專用集成電路的廣泛應(yīng)用，如何面對(duì)專用集成電路老煉的迫切需求，開發(fā)出可操作的老煉試驗(yàn)規(guī)范是值得探索的。

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Study on the Burn-in Technology of Application-specif c Integrated Circuits

YAO Ding, SUN Jia-kun
(NO.716 Institute of China shipbuilding Industry Coporation,Lianyungang 222061)

Integrated circuits burn-in technology is an effective method to eliminate the early failure of product. By studying integrated circuits burn-in test technology, and based on the IC burn-in system of HTI 2000SN, this paper takes MAX1480 as the example, and introduces systematically the burn-in conceptual design and achievement of application-specific integrated circuits.

integrated circuits; burn-in; MAX1480

TN492

A

1004-7204（2015）04-0035-06

姚鼎（1987-），男，江蘇連云港人，工程師，主要從事元器件篩選檢測技術(shù)研究工作。