羅俊，劉丹妮，譚驍洪，吳兆希，應(yīng)廣祺

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

A/D轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)模擬信號輸入、數(shù)字信號輸出，在光通信、電子對抗、控制偵查和雷達接收等技術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的關(guān)鍵作用。作為各種軍用裝備系統(tǒng)不可或缺的器件，A/D轉(zhuǎn)換器的可靠性也直接影響了裝備系統(tǒng)的整體可靠性指標。但目前傳統(tǒng)的事后可靠性試驗方法，不能在研制階段及時地暴露器件缺陷，而且試驗周期長、效率低、耗費大和環(huán)境應(yīng)力條件單一，更有可能因為缺陷暴露不徹底，使問題器件通過篩選和測試，導致裝備系統(tǒng)在實際的工作環(huán)境下存有質(zhì)量與可靠性風險，從而制約了A/D轉(zhuǎn)換器在相關(guān)領(lǐng)域的重點工程中的國產(chǎn)化配置。

強化試驗是一種通過施加強化環(huán)境應(yīng)力快速地激發(fā)失效，暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的高加速試驗技術(shù)，旨在快速地激發(fā)試件的潛在缺陷，尋找極限應(yīng)力，健壯產(chǎn)品設(shè)計，具有缺陷激發(fā)徹底、高效等特點，可快速地消除隱患，加固薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性[1-4]。作為先進的試驗技術(shù)，強化試驗技術(shù)在美國等發(fā)達國家已被廣泛地應(yīng)用，而國內(nèi)開展可靠性強化試驗的研究仍處于起步階段，尤其對于器件級產(chǎn)品的可靠性強化試驗方法缺少研究，對敏感應(yīng)力及應(yīng)力組合的施加方式缺少合理的確定方法。

本文對國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器在多應(yīng)力條件下的強化試驗技術(shù)進行研究，探索基于失效物理的仿真方法在國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器多應(yīng)力強化試驗設(shè)計中的應(yīng)用，以期提高國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量與可靠性，促進A/D轉(zhuǎn)換器在關(guān)鍵領(lǐng)域的國產(chǎn)化配置進程。

1 研究對象的基本信息

1.1 器件基本概況

本文選取的A/D轉(zhuǎn)換器為采用主流工藝和轉(zhuǎn)換形式的逐次逼近型八選一輸入8位AD轉(zhuǎn)換器，該器件采用CMOS工藝生產(chǎn)線制造，采用28引腳雙列直插金屬陶瓷封裝，是一款采用目前主流硅柵非自對準CMOS工藝開發(fā)的國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器。

1.2 器件敏感應(yīng)力評價

應(yīng)用應(yīng)力敏感性模糊評價的方法，根據(jù)器件在實際使用中可能會遇到的應(yīng)用環(huán)境，選擇溫度、濕度、振動和電應(yīng)力4種應(yīng)力作為評價對象。在評價中綜合地考慮了應(yīng)力對產(chǎn)品性能影響的風險等級、應(yīng)力對產(chǎn)品的失效機理的影響程度和應(yīng)力所導致的失效比例3個條件。首先對A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)力敏感性進行評價。

a）選取評價應(yīng)力

根據(jù)器件在使用中最常遇到的環(huán)境，定義溫度、濕度、振動和電應(yīng)力4種應(yīng)力作為評價對象。定義備擇集為：

b）選取評價因素來評價不同應(yīng)力對器件的影響

應(yīng)力對于器件性能影響風險等級、應(yīng)力對器件失效機理的影響程度和應(yīng)力導致失效的比例大小作為影響因素，開展不同評價對象的第一、第二和第三等級的模糊量級下的隸屬度評價。此處選取0.7、0.5、0.3這3種量級來對應(yīng)評價隸屬度的大、中、小3種模糊性評價。

等級評價矩陣中第一、第二即和第三等級對試驗影響能力遞減，對其評價結(jié)果的采信度遞減。以對R1應(yīng)力對于器件性能影響風險等級的評價為例，通過失效調(diào)研分析結(jié)果可知，在對器件性能的影響風險等級中，電應(yīng)力綜合風險等級最高，溫度僅次于電應(yīng)力，振動與濕度則都明顯地低于電應(yīng)力與溫度應(yīng)力。所以在第一列溫度應(yīng)力評價中選取0.7、0.3、0.3這3種隸屬度，第二列與第三列濕度與振動選取明顯地低于溫度的0.5、0.3、0.3這3種隸屬度，電應(yīng)力最高，第四列選取0.7、0.5、0.3這3種隸屬度。同理在R2應(yīng)力對失效機理的影響程度中，R3應(yīng)力導致的失效比例中同樣依據(jù)調(diào)研結(jié)果和FMMECA的結(jié)果對不同等級的隸屬度進行評價，最終得到等級評價矩陣為：

根據(jù)敏感應(yīng)力評價方法確定3個影響因素對應(yīng)3個等級的權(quán)重集為：

c）一級模糊評價矩陣計算

按照一級評價矩陣，計算得到的一級評價矩陣為：

d）定義各種影響因素的權(quán)重集

應(yīng)力對于器件性能影響綜合風險等級，應(yīng)該作為對器件強化試驗敏感應(yīng)力選取中最重要的評價標準，應(yīng)力對器件失效機理的影響程度作為評價標準的權(quán)重最小，應(yīng)力導致失效的比例大小則作為次于對器件性能影響嚴重度等級的評價標準。因此，確定3個影響因素的權(quán)重集為：C=（0.55，0.15，0.3），計算得到二級評價矩陣為：

根據(jù)二級模糊評價矩陣的結(jié)果，AD轉(zhuǎn)換器強化試驗的應(yīng)力敏感性排序依次為：電、溫度、振動和濕度。

由試驗類型的選擇方法可知，電應(yīng)力模糊評價后的敏感性值與溫度應(yīng)力的敏感性數(shù)值之和為1.058。因此，應(yīng)開展溫度+電雙應(yīng)力強化試驗方案。由于敏感性數(shù)值略大于1，因此也可以開展溫度+電+振動三應(yīng)力綜合強化試驗方案。由于振動應(yīng)力敏感性數(shù)值為0.365，相比于溫度應(yīng)力敏感性數(shù)值0.493和電應(yīng)力敏感性數(shù)值0.493較小。因此本文僅針對溫度+電應(yīng)力的雙應(yīng)力強化試驗方案，開展優(yōu)化設(shè)計研究。溫度+電+振動的三應(yīng)力強化試驗方案設(shè)計即在雙應(yīng)力方案的基礎(chǔ)上增加振動應(yīng)力。

2 正交試驗剖面設(shè)計

按照制定的多應(yīng)力強化試驗方法，根據(jù)所確定的試驗類型與摸底試驗的結(jié)果，使用正交試驗的方法對溫度與電應(yīng)力綜合試驗方法及不同的試驗條件對器件性能的影響開展研究。由于目前對電子元器件的研究中，電應(yīng)力失效一般是通過器件溫度的上升來加速其老化或擊穿。從微觀角度分析，當溫度變化時，材料的電性能如電阻等也會發(fā)生變化，因此，在激發(fā)器件缺陷方面，溫度應(yīng)力與電應(yīng)力有很好的疊加效果。綜合試驗的相關(guān)參數(shù)包括：最高溫度、最低溫度、高低溫沉浸時間、溫變速率、電源電壓值、參考電平-抖動、輸入電壓脈沖幅值和輸入電壓脈沖頻率。此處依據(jù)摸底試驗結(jié)果與強化試驗方案對不同的參數(shù)設(shè)置兩水平的取值，低溫由于工作極限不明確，采取推薦工作溫度與設(shè)備極限低溫進行設(shè)置，溫度因素與電應(yīng)力因素的高低水平的表設(shè)置如表1所示。

表1 溫度+電雙應(yīng)力強化試驗應(yīng)力因素水平表

使用正交試驗的方法，針對上述10個應(yīng)力因素制定十因素兩水平正交試驗表，試驗次數(shù)選取16次。試驗方案如表2所示，A、B、C、D、E、F、G、H、J、K依次代表上述應(yīng)力因素，-1代表該因素的低水平取值，1代表高水平取值。通過對不同試驗方案仿真結(jié)果的分析可以找到效果更好的試驗方案，同時找出影響試驗的主要因素。

表2 溫度+電雙應(yīng)力強化試驗的正交試驗方案表

3 基于失效物理仿真的剖面優(yōu)化

選取失效物理仿真的方法開展正交試驗剖面的評價分析。在失效物理仿真中所輸入的參數(shù)一般要通過有限元仿真得到，因此采用有限元軟件建立了器件的仿真模型，有限元模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值根據(jù)實測結(jié)果得到，材料參數(shù)則通過查詢相關(guān)文獻資料得到[5-8]，模型仿真的環(huán)境參數(shù)為上述正交試驗的試驗剖面，在有限元分析中，將電應(yīng)力載荷通過功率輸入進行施加。通過對仿真結(jié)果的局部應(yīng)力提取得到器件芯片工作溫度與整體溫度變化，作為失效物理仿真中的輸入?yún)?shù)。

下面將對仿真過程及其結(jié)果進行介紹，由于仿真剖面較多，此處僅截取了部分的試驗剖面與仿真界面。仿真過程中材料參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

表3 仿真材料參數(shù)

仿真選取1 000個循環(huán)進行，截取的部分剖面如圖1所示，截取試驗剖面的試驗結(jié)果如圖2-3所示。

圖1 分仿真剖面

圖2 剖面1的仿真結(jié)果

針對正交試驗所設(shè)計的16個試驗剖面依次開展仿真分析與器件平均溫度與芯片平均溫度的應(yīng)力參數(shù)提取的結(jié)果如表4所示。

表4 仿真參數(shù)提取

按照本文所制定的多應(yīng)力強化試驗方法，在有限元仿真后將開展失效物理仿真計算，根據(jù)試驗類型為溫度應(yīng)力與電應(yīng)力綜合，結(jié)合器件的結(jié)構(gòu)特點，仿真所選取的失效物理模型如表5所示。在對表中失效物理模型仿真計算時，器件和材料參數(shù)依據(jù)設(shè)計文件和測量結(jié)果得到，依次將正交試驗設(shè)計的16種剖面下的有限元仿真結(jié)果進行參數(shù)提取，輸入模型進行仿真計算。

表5 失效物理仿真模型

利用失效物理仿真軟件CALCE對器件進行仿真的過程中，針對16種試驗剖面依次進行上述失效物理模型的仿真計算，仿真計算量較大，此處僅截取部分仿真過程的界面，如圖4所示。所有剖面的失效物理仿真結(jié)果如表6所示。

表6 失效物理仿真計算結(jié)果

圖3 剖面5的仿真結(jié)果

圖4 失效物理仿真計算界面

最后針對上述結(jié)果，應(yīng)用Miner線性累積損傷的方法進行分析。此處累積計算針對所有試驗剖面同樣采取1 000個循環(huán)的損傷進行累積。計算公式為：

式（7）中：ni——第i組剖面的時間；

Nij——第i組剖面下，j表示表12中7種不同失效機理下的失效前時間；

Ri——第i組剖面的Miner累積損傷比。

線性累積損傷計算的結(jié)果及其排序則如表7所示。

表7 線性累積損傷結(jié)果

4 A/D轉(zhuǎn)換器強化試驗方案最優(yōu)化

根據(jù)失效物理仿真計算中線性累積損傷分析的結(jié)果可知，在目前的16組正交試驗剖面當中第九組的累積損傷比最高，即該組試驗剖面的損傷效果最好，同樣就認為這一剖面在強化試驗中效率最高，激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷的能力最強。

按照器件級產(chǎn)品多應(yīng)力強化試驗方案，針對正交試驗剖面評價中累積損傷比最高的剖面，即基于剖面9設(shè)計多因素的綜合強化試驗剖面，綜合考慮強化試驗度試驗效率要求和經(jīng)濟承受力，利用直觀分析法所設(shè)計的優(yōu)化的試驗剖面如圖5所示，相應(yīng)的溫度+電雙應(yīng)力強化試驗應(yīng)力參數(shù)如表8所示。

表8 溫度+電雙應(yīng)力強化試驗應(yīng)力參數(shù)表

圖5 溫度+電雙應(yīng)力強化試驗剖面

根據(jù)前面分析得到的敏感應(yīng)力評價結(jié)果可知，由于溫度應(yīng)力和電應(yīng)力的敏感性數(shù)值之和為1.058，較接近于1，因此，除了可以開展溫度+電的雙應(yīng)力強化試驗外，本文也推薦采用溫度+電+振動應(yīng)力的三綜合強化試驗方案，可以更加快速地激發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器的缺陷。三綜合的強化試驗方案在雙應(yīng)力強化試驗方案的基礎(chǔ)上增加振動應(yīng)力即可。因此本文給出了“溫循+電+振動”的試驗方案，三綜合試驗的相關(guān)參數(shù)包括：最高溫度、最低溫度、上下限沉浸時間、溫變速率、循環(huán)數(shù)、電源電壓值、電源電壓抖動幅值、參考電平抖動幅值、輸入電壓脈沖幅值、輸入電壓脈沖頻率、振動頻率范圍和加速度功率譜密度（PSD），以及振動時間。綜合環(huán)境試驗參數(shù)取值的確定同樣可參照器件破壞極限取不同水平的值，示例中為綜合試驗參數(shù)的高低兩水平取值。設(shè)計結(jié)果如表9-10所示。

表9 “振動+電”試驗參數(shù)的高低水平

采用同樣的方法進行損傷預計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第四組試驗參數(shù)達到的損傷最優(yōu)，因此確定了三綜合試驗的最有剖面及其參數(shù)如表11、圖6所示。

圖6 溫度+電+振動三應(yīng)力綜合強化試驗剖面

表11 “溫循+電+振動”強化試驗剖面

5 結(jié)束語

本文對A/D轉(zhuǎn)換器可靠性強化試驗技術(shù)進行了研究，結(jié)合失效物理理論，確定了導致器件失效的敏感環(huán)境應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上建立了基于失效物理的國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器多應(yīng)力強化試驗仿真方法，得到了國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器多應(yīng)力強化試驗最優(yōu)方案，為國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器的可靠性強化試驗實施，以及后續(xù)的設(shè)計、工藝改進奠定了基礎(chǔ)。

表10 “溫循+振動+電”正交試驗表