Vysokoteplotní životnost - High-temperature operating life - Wikipedia

Vysokoteplotní životnost (HTOL) je test spolehlivosti aplikovaný na integrované obvody (IC) k určení jejich vnitřní spolehlivost. Tento test zdůrazňuje IC při zvýšené hodnotě teplota, vysoké napětí a dynamický provoz po předdefinovanou dobu. IC je obvykle monitorována pod stresem a testována v mezilehlých intervalech. Tento zátěžový test spolehlivosti se někdy označuje jako „test životnosti“, „test životnosti zařízení“ nebo „rozšířený vypálit test “a používá se ke spouštění režimů potenciálního selhání a hodnocení IC život.

Existuje několik typů HTOL:

Typy HTOL	Schematické	Popis
Statický		IC namáhané za statických a konstantních podmínek, IC se nepřepíná.
Dynamický		Vstupní podnět pro přepínání vnitřních uzlů zařízení.
Monitorováno		Vstupní podnět pro přepínání vnitřních uzlů zařízení. Živý výstup označuje výkon IC.
Testováno na místě		Vstupní podnět pro přepínání vnitřních uzlů zařízení. Responzivní výstupní testy výkonu IC.

Dokumenty AEC.^[1]
Standardy JEDEC.^[2]
Mil standardy.^[3]

Úvahy o návrhu

Hlavním cílem HTOL je stárnutí zařízení tak, aby krátký experiment umožnil předpovědět životnost IC (např. 1 000 HTOL hodin by mělo předpovídat minimálně „X“ let provozu). Dobrý proces HTOL by měl zabránit uvolněnému provozu HTOL a také by zabránil přetížení IC. Tato metoda stárne všechny stavební bloky IC, aby umožnila spuštění příslušných režimů selhání a jejich implementaci v krátkém experimentu spolehlivosti. Přesný multiplikátor, známý jako Acceleration Factor (AF), simuluje provoz s dlouhou životností.

AF představuje faktor zrychleného stárnutí ve vztahu k podmínkám použitelnosti při životnosti.

Pro efektivní zátěžové testování HTOL je třeba vzít v úvahu několik proměnných:

Digitální přepínací faktor
Provoz analogových modulů
Aktivita I / O vyzvánění
Design monitoru
Okolní teplota (Ta)
Teplota spojení (Tj)
Napěťové napětí (Vstrs)
Faktor zrychlení (AF)
Délka zkoušky (t)
Velikost vzorku (SS)

Níže je uveden podrobný popis výše uvedených proměnných pomocí hypotetického zjednodušeného integrovaného obvodu s několika RAM, digitální logikou, analogovým modulem regulátoru napětí a I / O kroužkem, spolu s úvahami o konstrukci HTOL pro každou z nich.

Digitální přepínací faktor

Faktor digitálního přepínání (DTF) představuje počet tranzistorů, které mění svůj stav během zátěžového testu, v poměru k celkovému počtu hradel v digitální části IC. Ve skutečnosti je DTF procentem přepínání tranzistorů v jedné časové jednotce. Časová jednotka je relativní k přepínací frekvenci a je obvykle omezena nastavením HTOL v rozsahu 10–20 MHz.

Inženýři spolehlivosti se snaží přepínat co nejvíce tranzistorů pro každou časovou jednotku. RAM (a další typy paměti) se obvykle aktivují pomocí BIST funkce, zatímco logika je obvykle aktivována pomocí SKENOVAT funkce, LFSR nebo logická BIST.

Vyhodnocuje se výkon a vlastní ohřev digitální části integrovaného obvodu a odhaduje se stárnutí zařízení. Tato dvě opatření jsou sladěna tak, aby byla podobná stárnutí ostatních prvků IC. Stupně volnosti pro sladění těchto opatření jsou napěťové napětí a / nebo časové období, během kterého program HTOL smyčky těchto bloků vzhledem k ostatním IC blokům.

Provoz analogových modulů

Nedávný trend integrace co největšího počtu elektronických součástek do jednoho čipu je známý jako systém na čipu (SoC).

Tento trend komplikuje práci techniků spolehlivosti, protože (obvykle) analogová část čipu rozptyluje vyšší výkon ve srovnání s ostatními prvky IC.

Tato vyšší energie může generovat horká místa a oblasti zrychleného stárnutí. Inženýři spolehlivosti musí rozumět distribuci energie na čipu a sladit stárnutí tak, aby bylo podobné pro všechny prvky integrovaného obvodu.

V našem hypotetickém SoC analogový modul obsahuje pouze regulátor napětí. Ve skutečnosti mohou existovat další analogové moduly, např. PMIC, oscilátory nebo plnit čerpadla. K provedení účinných zátěžových testů na analogových prvcích musí inženýři spolehlivosti identifikovat nejhorší scénář pro příslušné analogové bloky v IC. Například nejhorší scénář pro regulátory napětí může být maximální regulační napětí a maximální zatěžovací proud; u nabíjecích čerpadel to může být minimální napájecí napětí a maximální zatěžovací proud.

Dobrá technická praxe vyžaduje použití externích zátěží (externí R, L, C) k vynucení potřebných proudů. Tato praxe se vyhne rozdílům v načítání kvůli odlišným operačním schématům a provozu čipu ořezávání jeho analogových částí.

Ke kontrole se používají statistické metody statistické tolerance, kolísání a teplotní stabilita použitých zátěží a definování správných pásem spolehlivosti zátěží, aby se zabránilo nadměrnému / podpětí v provozním rozsahu HTOL. Stupně volnosti pro vyrovnání velikosti stárnutí analogových částí jsou obvykle pracovní cyklus, hodnoty vnějšího zatížení a napěťové napětí.

Aktivita I / O vyzvánění

Rozhraní mezi „vnějším světem“ a integrovaným obvodem se provádí prostřednictvím prstence vstup / výstup (I / O). Tento prsten obsahuje napájecí I / O porty, digitální I / O porty a analogové I / O porty. I / O jsou (obvykle) připojeny prostřednictvím IC balíčku k „vnějšímu světu“ a každý I / O provádí své vlastní specifické příkazové pokyny, např. JTAG přístavy, Napájecí porty IC Cílem inženýrství spolehlivosti je stárnout všechny I / O stejným způsobem jako ostatní prvky IC. Toho lze dosáhnout použitím a Hraniční skenování úkon.

Design monitoru

Jak již bylo zmíněno, hlavním cílem HTOL je stárnutí vzorků dynamickým namáháním při zvýšeném napětí a / nebo teplotě. Během operace HTOL musíme zajistit, aby IC byl aktivní, přepínatelný a neustále fungující.

Zároveň musíme vědět, v jakém okamžiku přestane IC reagovat, tato data jsou důležitá pro výpočet indexů cenové spolehlivosti a pro usnadnění FA. To se provádí monitorováním zařízení prostřednictvím jednoho nebo více důležitých signálů parametrů IC komunikovaných a protokolovaných strojem HTOL a nepřetržitým zobrazováním funkčnosti IC po celou dobu běhu HTOL. Mezi příklady běžně používaných monitorů patří signální signál BIST „done“, výstupní řetězec SCAN nebo výstup analogového modulu.

Existují tři typy monitorování:

Přizpůsobení vzoru: Skutečný výstupní signál se porovná s očekávaným a upozorní na jakoukoli odchylku. Hlavní nevýhodou tohoto typu monitoru je jeho citlivost na jakoukoli menší odchylku od očekávaného signálu. Během HTOL IC běží při teplotě a / nebo napětí, které občas spadají mimo jeho specifikaci, což může způsobit umělou citlivost a / nebo poruchu, která selže při porovnávání, ale nejde o skutečné selhání.
Cvičení: Počítá počet přepnutí a pokud jsou výsledky vyšší než předdefinovaná prahová hodnota, monitor označuje OK. Hlavní nevýhodou tohoto typu monitorování je šance, že by mohl být nesprávně interpretován neočekávaný šum nebo signál. Tento problém nastává hlavně v případě přepínání monitoru s nízkým počtem.
Aktivita v předdefinovaném rozsahu: Zkontroluje, zda monitor reaguje v předem definovaném limitu, například když je počet přepínačů v předem definovaném limitu nebo je výstup regulátoru napětí v předem definovaném rozsahu.

Okolní teplota (Ta)

Podle norem JEDEC by ekologická komora měla být schopna udržovat specifikovanou teplotu v toleranci ± 5 ° C po celou dobu, kdy jsou součásti zatíženy a bez napájení. Dnešní ekologické komory mají lepší schopnosti a mohou vykazovat teplotní stabilitu v celém rozsahu ± 3 ° C.

Teplota spojení (Tj)

Nízkoenergetické integrované obvody lze zdůraznit, aniž by byla věnována velká pozornost účinkům vlastního ohřevu. Z důvodu změny měřítka technologie a výroby se však může ztráta energie v rámci jedné výrobní šarže zařízení lišit až o 40%. Tato variace, kromě vysokého výkonu IC, umožňuje pokročilé ovládání kontaktních teplot pro usnadnění jednotlivých řídicích systémů pro každý IC

Napěťové napětí (Vstrs)

Provozní napětí by mělo být alespoň maximum specifikované pro zařízení. V některých případech se použije vyšší napětí, aby se dosáhlo celoživotního zrychlení z napětí i teploty.

K definování maximálního povoleného napěťového napětí lze zvážit následující metody:

Vynutit 80% průrazného napětí;
Vynutit o šest sigma méně než průrazné napětí;
Nastavte přepětí na vyšší než maximální specifikované napětí. Úroveň přepětí 140% maximálního napětí se příležitostně používá pro MIL a automobilové aplikace.

Inženýři spolehlivosti musí zkontrolovat, zda V_stres nepřekračuje maximální jmenovité napětí pro příslušnou technologii stanovené FAB.

Faktor zrychlení (AF)

Faktor zrychlení (AF) je multiplikátor, který spojuje životnost produktu při zrychlené úrovni stresu s životností při úrovni stresu při použití.

AF 20 znamená 1 hodinu ve stresovém stavu, což odpovídá 20 hodinám v užitečném stavu.

Faktor napěťové akcelerace je reprezentován AFv. Napěťové napětí je obvykle stejné nebo vyšší než maximální napětí. Zvýšené napětí poskytuje další zrychlení a lze jej použít ke zvýšení efektivních hodin zařízení nebo k dosažení ekvivalentního bodu života.

Existuje několik modelů AFv:

E model nebo exponenciální model zrychlení konstantního pole / napětí;
1 / E model nebo ekvivalentně model vstřikování anodové díry;
V model, kde je poruchovost exponenciální vůči napětí
Uvolňování anodového vodíku pro model výkonového zákona

AFtemp je faktor zrychlení způsobený změnami teploty a obvykle je založen na Arrheniova rovnice. Celkový faktor zrychlení je součinem AFv a AFtemp

Délka zkoušky (t)

Trvání testu spolehlivosti zajišťuje odpovídající požadavek na životnost zařízení.

Například při aktivační energii 0,7 eV, teplotě stresu 125 ° C a teplotě používání 55 ° C je činitel zrychlení (Arrheniova rovnice) 78,6. To znamená, že doba trvání stresu 1 000 hodin odpovídá 9 letům používání. O délce kvalifikačního testu rozhodne inženýr spolehlivosti. Osvědčené postupy v oboru vyžadují 1 000 hodin při teplotě křižovatky 125 ° C.

Velikost vzorku (SS)

Výzvou pro nové systémy posuzování a kvalifikace spolehlivosti je stanovení příslušných mechanismů selhání k optimalizaci velikosti vzorku.

Ukázkové plány jsou statisticky odvozeny z rizika výrobce, rizika spotřebitele a očekávané míry selhání. Běžně používaný plán vzorkování nulových zmetků z 230 vzorků se rovná třem zmetkům z 668 vzorků za předpokladu LTPD = 1 a 90% intervalu spolehlivosti.

Politika HTOL

Výběr vzorku

Vzorky zahrnují reprezentativní vzorky z nejméně tří po sobě jdoucích šarží, které představují variabilitu výroby. Všechny zkušební vzorky musí být vyráběny, manipulovány, tříděny a montovány stejným způsobem jako během fáze výroby.

příprava vzorků

Vzorky musí být testovány před stresem a na předem definovaných kontrolních bodech. Je dobrým technickým postupem testovat vzorky při maximální a minimální jmenovité teplotě i při pokojové teplotě. Datové protokoly všech funkčních a parametrických testů se shromáždí pro další analýzu.

Doba trvání zkoušky

Za předpokladu Tj = 125 ° C jsou běžně používané kontrolní body po 48, 168, 500 a 1 000 hodinách.

Různé kontrolní body pro různé teploty lze vypočítat pomocí Arrheniovy rovnice. Například s aktivační energií 0,7e V, T_j 135 ° C a T._použití 55 ° C budou ekvivalentní kontrolní body 29, 102, 303 a 606 hodin.

Elektrické testování by mělo být dokončeno co nejdříve po odebrání vzorků. Pokud vzorky nelze testovat brzy po jejich odstranění, měla by se použít další doba namáhání. Standard JEDEC vyžaduje testování vzorků do 168 hodin od odstranění.

Pokud testování překročí doporučené časové okno, mělo by se použít další napětí podle následující tabulky:^[2]

Čas nad doporučeným časovým oknem	0 h	168 h	336 h	jiný
Další stresové hodiny	24h	48h	72h	24 hodin za každých 168 hodin

Záslužná čísla

Číslo zásluh je výsledkem statistické plány vzorkování.

Plány odběru vzorků se vkládají do SENTENCE, nástroje pro audit, aby se zajistilo, že výstup procesu splňuje požadavky. SENTENCE jednoduše přijme nebo odmítne testované dávky. Inženýr spolehlivosti implementuje statistické plány vzorkování na základě předdefinovaných limitů kvality přijetí, LTPD, rizika výrobce a rizika zákazníka. Například běžně používaný plán vzorkování 0 vyřazení z 230 vzorků se rovná 3 vyřazení ze 668 vzorků za předpokladu LTPD = 1.

HTOL v různých průmyslových odvětvích

Proces stárnutí IC je relativní k jeho standardním podmínkám používání. Níže uvedené tabulky obsahují odkazy na různé běžně používané produkty a podmínky, za kterých jsou používány.

Inženýři spolehlivosti mají za úkol ověřit adekvátní trvání stresu. Například pro aktivační energii 0,7 eV, stresovou teplotu 125 ° C a užitnou teplotu 55 ° C představuje očekávanou životnost pět let 557 hodinový experiment HTOL.

Komerční použití

Min Tuse	Max Tuse	Popis	Očekávaná životnost
5 ° C	50 ° C	produkty pro stolní počítače	5 let
0 ° C	70 ° C	mobilní produkty	4 roky

Automobilové použití

Příklad podmínek použití v automobilovém průmyslu^[1]

Min Tuse	Max Tuse	Popis	Očekávaná životnost
-40 ° C	105 - 150 ° C	ve stavu kapoty	10 až 15 let
-40 ° C	80 ° C	stav prostoru pro cestující	10 až 15 let
0 ° C	70 ° C	stav prostoru pro cestující	10 až 15 let

Telekomunikační použití

Příklad definice podmínek použití evropských telekomunikací

Min Tuse	Max Tuse	Popis	Očekávaná životnost
5 ° C	40 ° C	třída 3.1 Místa s řízenou teplotou	obvykle 25 let
-5 ° C	45 ° C	třída 3.2 Místa s částečně řízenou teplotou	obvykle 25 let
-25 ° C	55 ° C	třída 3.3 Místa bez regulace teploty	obvykle 25 let
-40 ° C	70 ° C	třída 3.4 Stránky s tepelným lapačem	obvykle 25 let
-40 ° C	40 ° C	třída 3.5 Chráněná místa, přímé sluneční záření	obvykle 25 let

Příklad definice podmínek použití US Telecom

Min Tuse	Max Tuse	Popis	Očekávaná životnost
-40 ° C	46 ° C	Nekontrolované prostředí	25 let
5 ° C	40 ° C	Uzavřená budova	25 let

Vojenské použití

Příklad podmínek vojenského použití

Min Tuse	Max Tuse	Popis
-55 ° C	125 ° C	Výrobky MIL
-55 ° C	až 225 ° C	aplikace s vysokou teplotou

Příklad

Počet poruch = r

Počet selhání zařízení = D

Testovací hodiny na zařízení = H

Celsia + 273 = T (teplota pro výpočet v Kelvinech)

Zkušební teplota (HTRB nebo jiná vypalovací teplota) = ${ displaystyle T _ { text {test}}}$

Teplota použití (standardizovaná při 55 ° C nebo 328 ° K) = ${ displaystyle T _ { text {use}}}$

Aktivační energie (eV) = ${ displaystyle E _ { text {a}}}$

${ displaystyle { text {X}} ^ {2} ( alpha, nu)}$ Chi Squared / 2 je odhad pravděpodobnosti pro počet poruch při α a ν

Úroveň spolehlivosti pro distribuci X ^ 2; výpočty spolehlivosti používají α = 60% nebo 0,60 = α (alfa)

Stupně svobody pro

{ displaystyle X ^ {2}}

rozdělení; pro výpočet spolehlivosti použijte ν = 2r + 2. = ν (nu)

Faktor zrychlení z Arrheniovy rovnice = ${ displaystyle A _ { text {f}}}$

Boltzmannova konstanta ( ${ displaystyle hbar}$ ) = 8 617 x 10 e-5 eV / ° K.

Hodiny zařízení (DH) = D x H

Ekvivalentní hodiny zařízení (EDH) = D x H x ${ displaystyle A _ { text {f}}}$

Míra selhání za hodinu = ${ displaystyle lambda _ { text {hodin}}}$

Selhání v čase = Míra poruch na miliardu hodin = FIT = ${ displaystyle lambda _ { text {FIT}}}$

Střední doba do selhání MTTF

Kde je faktor zrychlení z Arrheniovy rovnice: ${ displaystyle displaystyle A _ { text {f}} = e ^ {{ frac {E _ { text {a}}} { hbar}} krát ({ frac {1} {T _ { text { use}}}} - { frac {1} {T _ { text {test}}}}}}}$

Míra selhání za hodinu = ${ displaystyle lambda _ { text {hodina}} = { frac {X ^ {2} ( alpha, nu)} {2 krát D krát H krát A _ { text {f}}} } = { frac {X ^ {2} ( alpha, nu)} {2 krát EDH}}}$

Poruchy v čase = Míra poruch na miliardu hodin = VEJÍT SE = ${ displaystyle lambda _ { text {FIT}} = lambda _ { text {hodin}} krát 10 ^ {9}}$

Střední doba do selhání v hodinách = ${ displaystyle MTTF _ { text {hours}} = { frac {1} { lambda _ { text {hours}}}}}$

Střední doba do selhání v letech ${ displaystyle MTTF _ { text {years}} = { frac {1} {( lambda _ { text {hours}} krát 24 krát 365)}}}$ ´

V případě, že chcete vypočítat faktor zrychlení včetně vlhkosti tzv Vysoce zrychlený zátěžový test (HAST ), pak:

činitel zrychlení z Arrheniovy rovnice by byl: ${ displaystyle displaystyle A _ { text {f}} = e ^ { beta krát ({ text {HR}} _ { text {test}} - { text {HR}} _ { text { use}})} times e ^ {{ frac {E _ { text {a}}} { hbar}} times ({ frac {1} {T _ { text {use}}}} - { frac {1} {T _ { text {test}}}}}}}$

kde ${ displaystyle { text {HR}} _ { text {test}}}$ je relativní vlhkost zátěžového testu (v procentech). Obvykle je to 85%.

kde ${ displaystyle { text {HR}} _ { text {use}}}$ je typické použití relativní vlhkosti (v procentech). Obvykle se to měří na povrchu čipu ca. 10–20%.

kde ${ displaystyle beta}$ je faktor měřítka selhání mechanismu. Což je hodnota mezi 0,1 a 0,15.

V případě, že chcete vypočítat faktor zrychlení včetně vlhkosti (HAST ) a napěťové napětí pak:

činitel zrychlení z Arrheniovy rovnice by byl: ${ displaystyle displaystyle A _ { text {f}} = e ^ { zeta krát ({ text {V}} _ { text {test}} - { text {V}} _ { text { use}})} times e ^ { beta times ({ text {HR}} _ { text {test}} - { text {HR}} _ { text {use}})}} times e ^ {{ frac {E _ { text {a}}} { hbar}} times ({ frac {1} {T _ { text {use}}}} - { frac {1} {T_ { text {test}}}}}}}$