劉士全,徐超,秦晨飛,王健軍(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇無(wú)錫214035)

一種新型CMOS器件長(zhǎng)期貯存壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法

劉士全,徐超,秦晨飛,王健軍
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇無(wú)錫214035)

介紹了一種新型的可對(duì)CMOS元器件長(zhǎng)期貯存壽命做出評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法.對(duì)CMOS元器件樣品分別進(jìn)行常溫貯存試驗(yàn)和高溫貯存試驗(yàn),通過(guò)常溫貯存試驗(yàn)累積試驗(yàn)數(shù)據(jù),并以此研究總結(jié)CMOS元器件長(zhǎng)期貯存性能參數(shù)變化的規(guī)律,通過(guò)高溫貯存試驗(yàn)加速元器件常溫貯存過(guò)程,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定期對(duì)樣品器件進(jìn)行測(cè)試.通過(guò)對(duì)常溫貯存數(shù)據(jù)和高溫加速貯存數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析,并利用阿倫尼斯模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)元器件長(zhǎng)期貯存壽命做出評(píng)價(jià).

∶CMOS器件;長(zhǎng)期貯存;試驗(yàn)方法;數(shù)據(jù)處理

1　引言

電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛,有些電子產(chǎn)品的應(yīng)用要求有一定的貯存期限(3年、5年或更長(zhǎng)),有些設(shè)備要求儲(chǔ)備一定量的產(chǎn)品和配套的電子元器件,并保證隨時(shí)正常使用.這就對(duì)電子元器件的貯存壽命提出了要求.國(guó)內(nèi)對(duì)電子元器件貯存壽命的研究已有所報(bào)道,但大多限于理論分析.隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的成熟,長(zhǎng)期貯存壽命的評(píng)價(jià)對(duì)商用產(chǎn)品的意義不容忽視.

軍品方面,長(zhǎng)期貯存壽命要求更為迫切,現(xiàn)代軍用裝備在和平時(shí)期必須有一定的儲(chǔ)備,長(zhǎng)期貯存后在使用時(shí)必須保持完好的戰(zhàn)技性能.因此要求組成武器裝備的各個(gè)元器件或模塊均具有較高的長(zhǎng)期貯存性能.尤其是導(dǎo)彈和軍需電子系統(tǒng)等必須適應(yīng)長(zhǎng)期貯存、隨時(shí)可用和能用的特點(diǎn).例如在導(dǎo)彈的全壽命周期過(guò)程中,其絕大多數(shù)時(shí)間處于貯存狀態(tài).

如果按照產(chǎn)品或武器裝備常溫常態(tài)下貯存的條件進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn),對(duì)壽命特別長(zhǎng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō),這種方法顯然不合適.因?yàn)樗枰ㄙM(fèi)很長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間,甚至來(lái)不及做完壽命試驗(yàn),新的產(chǎn)品又設(shè)計(jì)出來(lái),老產(chǎn)品就要被淘汰了.因此,加大應(yīng)力、縮短時(shí)間的加速壽命試驗(yàn)方法逐漸取代了常規(guī)的壽命試驗(yàn)方法.

本文通過(guò)對(duì)一款典型CMOS器件的常溫貯存壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和高溫貯存壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析研究,討論驗(yàn)證了一種新型的可對(duì)CMOS元器件長(zhǎng)期貯存壽命做出評(píng)價(jià)的加速試驗(yàn)方法.

2　評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法

2.1貯存壽命介紹

長(zhǎng)期貯存壽命是指元器件從生產(chǎn)完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格至裝機(jī)后所屬的整機(jī)系統(tǒng)報(bào)廢時(shí)的時(shí)間;常溫貯存壽命試驗(yàn)是指元器件在常溫常態(tài)下存放,定期檢測(cè)元器件的性能參數(shù),以此判斷元器件的長(zhǎng)期貯存壽命是否能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的一種壽命試驗(yàn)方法;加速貯存壽命試驗(yàn)是指在短期內(nèi)應(yīng)用高溫加速方法,使元器件長(zhǎng)期貯存退化過(guò)程加速,從而得到元器件長(zhǎng)期貯存的預(yù)計(jì)結(jié)果,并以此判斷被評(píng)價(jià)元器件長(zhǎng)期貯存壽命是否能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的一種壽命試驗(yàn)方法.

2.2評(píng)價(jià)試驗(yàn)流程

以常溫貯存數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取3個(gè)不同的高溫點(diǎn)進(jìn)行加速貯存壽命試驗(yàn),通過(guò)加速貯存數(shù)據(jù)和常溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,得到高溫貯存條件相對(duì)于常溫貯存條件的加速因子,根據(jù)加速因子得到加速貯存試驗(yàn)的時(shí)間,在該高溫點(diǎn)下進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間的加速貯存試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果即為常溫特定年限儲(chǔ)存壽命的預(yù)計(jì)結(jié)果.

將3組高溫樣品分別在85℃、125℃、150℃下進(jìn)行加速試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中不加電,根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行定期測(cè)試,測(cè)試時(shí)樣品需恢復(fù)至常溫,記錄測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算平均值.試驗(yàn)總時(shí)間根據(jù)高溫?cái)?shù)據(jù)和常溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析確定,在達(dá)到試驗(yàn)總時(shí)間后,應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),再得到兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)后結(jié)束試驗(yàn).如高溫?cái)?shù)據(jù)和常溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算高溫總時(shí)間超出2年,則高溫時(shí)間最長(zhǎng)按2年時(shí)間計(jì)算,做到2年時(shí)間后停止試驗(yàn).

2.3評(píng)價(jià)試驗(yàn)要求

常溫儲(chǔ)存環(huán)境要求溫度為-10～40℃,相對(duì)濕度為20%RH～85%RH;3個(gè)高溫貯存溫度點(diǎn)為150℃±5%、125℃±5%、85℃±5%;評(píng)價(jià)試驗(yàn)所抽取的元器件應(yīng)篩選合格產(chǎn)品.各溫度點(diǎn)的電路分配數(shù)量見(jiàn)表1,試驗(yàn)電路數(shù)量可根據(jù)電路特性來(lái)定,一般不少于20只.

圖1　試驗(yàn)流程圖

表1　樣品分配

測(cè)試參數(shù)為全參數(shù)測(cè)試,其中IIH、IIL、Iq、VOH、VOL、Icc參數(shù)為關(guān)鍵參數(shù);常溫存儲(chǔ)測(cè)試時(shí)間間隔為每336 h (14天)進(jìn)行一次測(cè)試;高溫存儲(chǔ)測(cè)試時(shí)間間隔為每336 h(14天)進(jìn)行一次測(cè)試;高溫貯存試驗(yàn)的測(cè)試需要在元器件恢復(fù)到常溫下進(jìn)行,恢復(fù)時(shí)間為24 h.在恢復(fù)時(shí)間為4 h、8 h、12 h、24 h時(shí)分別進(jìn)行測(cè)試,并記錄數(shù)據(jù).恢復(fù)時(shí)間不計(jì)入高溫貯存試驗(yàn)時(shí)間內(nèi).

3　評(píng)價(jià)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理及分析

3.1單個(gè)高溫點(diǎn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)某參數(shù)建立加速模型,確定加速因子,得出高溫貯存時(shí)間與常溫貯存時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.取每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均值作為該點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合,得到線性方程.將高溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率與常溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率進(jìn)行比較,得到高溫貯存試驗(yàn)對(duì)應(yīng)常溫儲(chǔ)存試驗(yàn)的加速因子,常溫儲(chǔ)存壽命除以加速因子得到高溫加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間.

對(duì)于每一分組中參數(shù)變化量最大和參數(shù)最接近于極限值的元器件,應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行分析.用EXCEL軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.基本操作如下:

(1)將貯存時(shí)間和測(cè)試數(shù)據(jù)平均值輸入EXCEL,點(diǎn)擊"插入圖表",選擇"散點(diǎn)圖",將X軸設(shè)為時(shí)間,Y軸設(shè)為測(cè)試數(shù)據(jù),完成圖表插入.

(2)在圖表中選擇"添加趨勢(shì)線",選擇"線性",在"選項(xiàng)"中選擇"顯示公式". 3.2阿倫尼斯模型數(shù)據(jù)處理

根據(jù)阿倫尼斯方程推導(dǎo)出lnt～1/T,將3個(gè)高溫點(diǎn)的測(cè)試數(shù)值及貯存時(shí)間輸入到EXCEL中,處理方法同單個(gè)溫度點(diǎn).根據(jù)常溫儲(chǔ)存方程推導(dǎo)出預(yù)計(jì)貯存年限的變化量,記錄在3個(gè)高溫點(diǎn)下達(dá)到常溫變化量的試驗(yàn)時(shí)間t,由此得出lnt;根據(jù)3個(gè)高溫點(diǎn)得出1/T,將lnt～1/T輸入到EXCEL中,進(jìn)行最小二乘法擬合,得到擬合方程;將長(zhǎng)期存儲(chǔ)時(shí)間t=X年換算成lnt,代入擬合方程中,算出T,若T在庫(kù)房?jī)?chǔ)存條件(-10～40℃)范圍內(nèi),則證明數(shù)據(jù)是可信的.

3.3試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)選取的是民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域使用量都非常大的一款電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片,芯片型號(hào)為JS16XX45,按照第二節(jié)介紹的評(píng)價(jià)試驗(yàn)流程和評(píng)價(jià)試驗(yàn)要求,分別在常溫及3個(gè)高溫試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn),目前試驗(yàn)已進(jìn)行150天,現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中3.3 V電壓下的靜態(tài)電流Iq進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2　靜態(tài)電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(單位/μA)

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并按照單個(gè)溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的方法,對(duì)常溫?cái)?shù)據(jù)和3個(gè)高溫點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了最小二乘法擬合,得到線性方程、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖及最小二乘法擬合線性方程,如圖2～5所示.

將3個(gè)高溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率分別與常溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率進(jìn)行比較,得到高溫貯存試驗(yàn)對(duì)應(yīng)常溫儲(chǔ)存試驗(yàn)的加速因子,常溫儲(chǔ)存壽命時(shí)間除以加速因子得到高溫加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間.實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示.

圖2　常溫測(cè)試數(shù)據(jù)曲線及最小二乘法擬合

圖3　 85℃測(cè)試數(shù)據(jù)曲線及最小二乘法擬合

圖4　 125℃測(cè)試數(shù)據(jù)曲線及最小二乘法擬合

圖5　 150℃測(cè)試數(shù)據(jù)曲線及最小二乘法擬合

表3　加速因子及試驗(yàn)用時(shí)

根據(jù)阿倫尼斯方程推導(dǎo)出lnt～1/T,得到阿倫尼斯模型數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示.

表4　阿倫尼斯模型數(shù)據(jù)處理結(jié)果

將lnt～1/T數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合,得到擬合方程如圖6所示.

圖6　處理后數(shù)據(jù)曲線及最小二乘法擬合

將長(zhǎng)期存儲(chǔ)時(shí)間t=15年換算成lnt,代入擬合方程中,算出溫度T,x=lnt=2.708 1,y=0.153 9x-0.381 9= 0.153 9X2.708 1-0.381 9=0.034 88,根據(jù)y=1/T,算出溫度T=1/y=1/0.034 88=28.67℃.

根據(jù)阿倫尼斯模型數(shù)據(jù)處理規(guī)則,溫度T=28.67℃在庫(kù)房?jī)?chǔ)存條件(-10～40℃)范圍內(nèi),證明數(shù)據(jù)是可信的.

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)常溫貯存壽命試驗(yàn)和高溫貯存加速壽命試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的整理分析,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合,得到線性方程.將高溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率與常溫?cái)?shù)據(jù)擬合方程的斜率進(jìn)行比較,得到高溫貯存試驗(yàn)對(duì)應(yīng)常溫儲(chǔ)存試驗(yàn)的加速因子,常溫儲(chǔ)存壽命除以加速因子得到高溫加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間,根據(jù)阿倫尼斯方程推導(dǎo)出溫度T在庫(kù)房?jī)?chǔ)存條件范圍內(nèi),證明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.并最終驗(yàn)證了通過(guò)常高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合,利用線性方程的斜率確定加速因子,通過(guò)加速因子計(jì)算高溫貯存壽命的試驗(yàn)方法是一種準(zhǔn)確可行的長(zhǎng)期貯存壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法.

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A New Evaluation Test for Long Storage Life of CMOS Component

LIU Shiquan,XU Chao,QIN Chenfei,WANG Jianjun
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China)

The article introduces a new test method that it can evaluate the long storage life of the CMOS component in short time.Room temperature storage test and high temperature test are performed using the samples of CMOS component, respectively.The room temperature storage test is used to accumulate the data to analyze the changes of the CMOS long storage performance.And the high temperature storage test is used to accelerate the process.Periodic tests are performed during the experiment.By comparing the data and using Arrhenius relationship,the long storage life of CMOS component can be evaluated in short time.

CMOS component;long storage;test method;data processing

TN306

A

1681-1070(2016)06-0036-03

2016-2-3

劉士全(1982-),男,吉林市人,現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所,工程師,主要研究方向?yàn)?553B總線技術(shù).