李文軍

（天水天光半導體有限公司，甘肅 天水 741000）

JT54LS273型集成電路加速壽命試驗研究

李文軍

（天水天光半導體有限公司，甘肅 天水 741000）

本文介紹了加速壽命試驗中最為常用的阿倫尼斯模型，并按該模型選擇JT54LS273型集成電路變化最大的關鍵參數(shù)，求得元器件在常溫貯存時的數(shù)學模型，以常溫貯存數(shù)據(jù)作為評價元器件加速貯存壽命的主要依據(jù)。選擇同型號、同品種的元器件，進行高溫加速貯存試驗與常溫貯存試驗數(shù)據(jù)進行比較，并建立加速貯存試驗模型。得出同一型號同一品種器件的高溫貯存加速因子、高溫貯存試驗時間，提前得出器件長期貯存試驗數(shù)據(jù)，以判斷器件是否滿足儲存期要求，并給出試驗結(jié)論。

集成電路；阿倫尼斯模型；高溫貯存

1 概述

長期以來，電子元器件經(jīng)過長期貯存后出現(xiàn)主要參數(shù)漂移、材料性能下降等一系列問題，因此高可靠、長壽命元器件的量化評估一直是可靠性工程領域的一個技術難題。通常采用的壽命試驗方法不僅需要耗費大量的試驗時間、人力和物力，而且經(jīng)長時間試驗后出來的結(jié)果可能已經(jīng)失去了實際意義，因此便有了加速貯存壽命試驗。

加速儲存壽命試驗是一種，既不改變又不增加，產(chǎn)品在實際儲存條件下失效機理的前提下，用加大貯存環(huán)境試驗應力來加速產(chǎn)品失效。根據(jù)其試驗結(jié)果，預計正常貯存環(huán)境應力下產(chǎn)品的貯存壽命，或在一個相對短的時間內(nèi)獲得失效率數(shù)據(jù)的技術。其基本思想是利用高應力水平下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征，其關鍵是建立壽命特征與應力水平之間的關系，然后利用這個關系實現(xiàn)外推正常應力水平下貯存壽命特征的目的。

加速壽命試驗的評估需要借助于加速模型。電子元器件在儲存期間，會受到溫度、濕度、振動等環(huán)境因素的影響，其中主要的影響因素是溫度。在以溫度為加速應力的加速壽命試驗評估中，應用廣泛的是阿倫尼斯模型。

2 理論依據(jù)

加速壽命試驗目前主要有阿倫尼斯模型、逆冪律模型、單應力艾林模型、廣義艾林模型等模型。本次實驗的主要依據(jù)是阿倫尼斯模型，它反應的是壽命與溫度的關系，高溫能使產(chǎn)品內(nèi)部加快化學反應，促使產(chǎn)品提前失效。

其表達式為:

式中：M——產(chǎn)品某特性的退化量；

K——玻爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/℃；

T——絕對溫度；

A0——常數(shù)；

T——反應時間；

ΔE——失效機理激活能，以eV為單位，同一類元器件的同一失效模式為常數(shù)。

令器件的初始狀態(tài)的退化量為M1，對應時間為t1；另一狀態(tài)的退化量為M2，對應時間為t2。那么，當T為常數(shù)時，從t1到t2的累積退化量為：

當退化量M2達到某個值Mp時,則認為該器件失效，由此會影響到由它們所構(gòu)成的設備的性能參數(shù)或工作情況。這時的時間差（t2-t1）就是它們從t1開始延續(xù)的壽命L。即

式(7)中：

A、B——待定參數(shù)；

L——某壽命特征，如中位壽命，平均壽命。

式(7)是線性化的壽命與溫度的關系模型，符合化學反應的器件的L與T的關系。該模型表明，壽命特征的對數(shù)是溫度倒數(shù)的線性函數(shù)。

阿倫尼斯認為，對于某一確定反應來說，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)。即對應于某失效機理，激活能是不隨溫度變化的常數(shù),這就保證了加速壽命試驗的可行性。

參數(shù)B的意義很容易通過式(7)的壽命—溫度應力關系看出來,A為截距，溫度應力的倒數(shù)是變量，B為直線斜率，是壽命相對于溫度應力倒數(shù)的斜率。

由式(6)可知，B具有和激活能一樣的特性。即B是溫度應力對產(chǎn)品壽命影響程度的一種度量。B值越大,則產(chǎn)品壽命對溫度應力的敏感度就越高。參數(shù)B也可以取負值，在這種情況下,隨著應力的加大，產(chǎn)品壽命也會增大。

加速因子亦稱加速系數(shù)，是加速貯存壽命試驗的一個重要參數(shù)。其定義為正常應力作用下的壽命L0與加大應力下產(chǎn)品的壽命L1之比：

式(8)中：K——性能退化率。

對于式(1)，當T不變時，兩邊積分得

當在不同溫度T1、T2，經(jīng)過時間t1、t2后特性值或退化量相同，可推出

則阿倫尼斯模型的加速因子為：

式(12)是基于退化量相同而導出的，(12)無論產(chǎn)品是否失效，只要產(chǎn)品功能的退化量相同即可。

通過對阿倫尼斯模型的研究發(fā)現(xiàn)：

1)該模型反映的是產(chǎn)品某特性值與激活能和所施加應力的關系；

2)其加速因子也是基于相同的退化量而導出的，無論是否失效，只要產(chǎn)品功能的退化量相同即可。

這就為加速壽命試驗提供了另外一種途徑,即利用某性能參數(shù)或特征量退化數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的可靠性進行評定、推斷。

3 實驗案例

3.1 試驗流程

本實驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程圖

本次試驗所抽取的試驗樣品20只，測試參數(shù)為產(chǎn)品詳細規(guī)范電特性參數(shù)，參數(shù)的統(tǒng)計分析包括ICC、IIH、IIL、VOL、VOH、IOS和VIK。加速倍率推算以產(chǎn)品儲存后變化最大的關鍵參數(shù)進行分析。

常溫儲存環(huán)境溫度范圍為：20℃～28℃，相對濕度為35%RH～75%RH。測試數(shù)據(jù)為5個月采集1次，共采集10次，用時50個月。

高溫貯存溫度點為：100℃、125℃、150℃，允許偏差為±3℃。高溫貯存測試數(shù)據(jù)為10d采集1次，共采集10次，用時100d。

3.2 數(shù)據(jù)分析

取每個測試點的數(shù)據(jù)平均值作為該點的測試數(shù)據(jù)，對測試數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合，得到線性方程。將三個高溫點數(shù)據(jù)擬合方程的斜率和常溫數(shù)據(jù)擬合方程的斜率進行比較，得到高溫貯存試驗對應常溫儲存試驗的加速因子，常溫儲存壽命除以加速因子得到高溫加速貯存試驗的試驗時間。本文以JT54LS273為例，進行數(shù)據(jù)分析，常溫貯存關鍵參數(shù)的測試值見表1。

表1 常溫貯存關鍵參數(shù)測試值

通過上表數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可做出參數(shù)值隨著儲存時間的增長而變化的曲線，如圖2所示，從而得到趨勢擬合方程，再推算出各參數(shù)失效時間，對照情況見表2。

表2 參數(shù)失效時間對照表

圖2 JT54LS273常溫儲存VIK變化曲線

圖3 JT54LS273高溫儲存VIK變化曲線

同理，分別可得到三個高溫貯存點的產(chǎn)品的高溫貯存VIK值，如圖3所示得到趨勢擬合方程：

100℃時，y2=-6E-05x-0.8491；

125℃時，y3=-0.0002x-0.8437；

150℃時，y4=-0.0004x-0.8393。

進而得出，三個高溫貯存點的加速因子，在100℃、125℃、150℃時分別為6、20、40。最后，求得高溫加速貯存試驗的試驗時間，在100℃、125℃、150℃時分別為45360h、14256h、7392h。

4 阿倫尼斯模型高溫數(shù)據(jù)驗證

4.1 阿倫尼斯模型數(shù)據(jù)處理方法

建立加速儲存試驗模型時，選擇了三個高溫點100℃、125℃、150℃貯存作為試驗的加速應力?？筛鶕?jù)阿倫尼斯方程推導出lnL～1/T，式中L為三個高溫點下達到常溫變化量的試驗時間，T為三個高溫點溫度。

1）求出產(chǎn)品VIK值在三個高溫點下達到常溫變化量的試驗時間和三個高溫點溫度；

2）將lnL～1/T，進行最小二乘擬合，得到擬合方程；

3）將存儲時間L=32年換算成lnL，代入擬合方程中，算出T；

4）若T值在庫房儲存條件（-10℃～40℃）范圍內(nèi)，則證明數(shù)據(jù)可信。

4.2 高溫數(shù)據(jù)驗證

按照上述方法，對JT54LS273高溫數(shù)據(jù)進行驗證計算：

1)已知三個高溫點貯存溫度為100℃、125℃、150℃，所以T1=373，T2=398，T3=423。

2)高溫貯存試驗時間已知：t1=7392h；t2=14256h；t3=45360h；

3)可求得lnL值與1/T值，見表3。

表3 lnL值與1/T值

4)將lnL～1/T進行最小二乘擬合，得到擬合曲線如圖4所示。

圖4 最小二乘法擬合曲線

5)將長儲時間L=32年代入擬合方程中得：T≈282K=9℃。符合庫房儲存條件溫度-10℃～40℃范圍要求，說明高溫加速儲存試驗數(shù)據(jù)可信。

5 加速貯存試驗預計結(jié)果

通過高溫（150℃）加速貯存試驗來預計結(jié)果。綜合上述高溫加速貯存試驗時間已經(jīng)預計，高溫加速模型已經(jīng)建立。從試驗后VIK推算值可以看出，產(chǎn)品加速貯存試驗預計結(jié)果均合格。

［1］ 林震,姜同敏,程永生,胡斌.阿倫尼斯模型研究［M］.北京,電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2005,26(3)：12-14.

［2］ 趙建印,劉芳.產(chǎn)品加速退化失效模型與統(tǒng)計分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學報,2008,40（12）：2088-2090.

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