La vida útil a alta temperatura (HTOL) es una prueba de confiabilidad aplicada a circuitos integrados (IC) para determinar su confiabilidad intrínseca . Esta prueba sobrecarga el CI a temperatura elevada , alto voltaje y funcionamiento dinámico durante un período de tiempo predefinido. El CI generalmente se monitorea bajo estrés y se prueba a intervalos intermedios. Esta prueba de esfuerzo de confiabilidad a veces se denomina "prueba de vida útil", "prueba de vida útil del dispositivo" o " prueba de encendido prolongado " y se utiliza para activar modos de falla potenciales y evaluar la vida útil del CI .
Hay varios tipos de HTOL:
Tipos HTOL | Esquemático | Descripción |
---|---|---|
Estático | IC estresado en condiciones estáticas y constantes, IC no alterna. | |
Dinámica | Estímulo de entrada para alternar los nodos internos del dispositivo. | |
Supervisado | Estímulo de entrada para alternar los nodos internos del dispositivo. La salida en vivo indica el rendimiento de IC. | |
Probado in situ | Estímulo de entrada para alternar los nodos internos del dispositivo. La salida receptiva prueba el rendimiento de IC. |
Consideraciones de diseño
El objetivo principal del HTOL es envejecer el dispositivo de modo que un experimento corto permita predecir la vida útil del IC (por ejemplo, 1.000 horas HTOL predecirán un mínimo de "X" años de funcionamiento). Un buen proceso de HTOL evitará el funcionamiento relajado de HTOL y también evitará sobrecargar el IC. Este método envejece todos los componentes básicos de IC para permitir que los modos de falla relevantes se activen e implementen en un breve experimento de confiabilidad. Un multiplicador preciso, conocido como factor de aceleración (AF), simula un funcionamiento de larga duración.
El AF representa el factor de envejecimiento acelerado en relación con las condiciones de aplicación de la vida útil.
Para una prueba de estrés HTOL efectiva, se deben considerar varias variables:
- Factor de conmutación digital
- Operación de módulos analógicos
- Actividad del anillo de E / S
- Diseño de monitor
- Temperatura ambiente (Ta)
- Temperatura de unión (Tj)
- Tensión de tensión (Vstrs)
- Factor de aceleración (AF)
- Duración de la prueba (t)
- Tamaño de muestra (SS)
A continuación se proporciona una descripción detallada de las variables anteriores, utilizando un CI simplificado hipotético con varias RAM, lógica digital, un módulo regulador de voltaje analógico y un anillo de E / S, junto con las consideraciones de diseño HTOL para cada una.
Factor de conmutación digital
El factor de alternancia digital (DTF) representa el número de transistores que cambian de estado durante la prueba de esfuerzo, en relación con el número total de puertas en la parte digital del IC. En efecto, el DTF es el porcentaje de transistores que alternan en una unidad de tiempo. La unidad de tiempo es relativa a la frecuencia de conmutación y, por lo general, está limitada por la configuración de HTOL a estar en el rango de 10 a 20 Mhz.
Los ingenieros de confiabilidad se esfuerzan por alternar tantos transistores como sea posible para cada unidad de medida de tiempo. Las RAM (y otros tipos de memoria) generalmente se activan usando la función BIST , mientras que la lógica generalmente se activa con la función SCAN , LFSR o BIST lógico .
Se evalúa la potencia y el autocalentamiento de la parte digital del IC y se estima el envejecimiento del dispositivo. Estas dos medidas están alineadas para que sean similares al envejecimiento de otros elementos del CI. Los grados de libertad para alinear estas medidas son la tensión de tensión y / o el período de tiempo durante el cual el programa HTOL enlaza estos bloques en relación con otros bloques IC.
Operación de módulos analógicos
La tendencia reciente de integrar tantos componentes electrónicos como sea posible en un solo chip se conoce como sistema en un chip (SoC).
Esta tendencia complica el trabajo de los ingenieros de confiabilidad porque (generalmente) la parte analógica del chip disipa una mayor potencia en relación con los otros elementos IC.
Este poder superior puede generar puntos calientes y áreas de envejecimiento acelerado. Los ingenieros de confiabilidad deben comprender la distribución de energía en el chip y alinear el envejecimiento para que sea similar para todos los elementos de un IC.
En nuestro hipotético SoC, el módulo analógico solo incluye un regulador de voltaje. En realidad, puede haber módulos analógicos adicionales, por ejemplo , PMIC , osciladores o bombas de carga . Para realizar pruebas de esfuerzo eficientes en los elementos analógicos, los ingenieros de confiabilidad deben identificar el peor escenario para los bloques analógicos relevantes en el IC. Por ejemplo, el peor escenario para los reguladores de voltaje puede ser el voltaje de regulación máximo y la corriente de carga máxima; para bombas de carga, puede ser la tensión de alimentación mínima y la corriente de carga máxima.
Las buenas prácticas de ingeniería requieren el uso de cargas externas (R, L, C externas) para forzar las corrientes necesarias. Esta práctica evita las diferencias de carga debido a los diferentes esquemas operativos del chip y al recorte operativo de sus partes analógicas.
Los métodos estadísticos se utilizan para verificar las tolerancias estadísticas , la variación y la estabilidad de temperatura de las cargas utilizadas, y para definir las bandas de confianza correctas para las cargas para evitar una tensión excesiva / insuficiente en el rango de operación HTOL. Los grados de libertad para alinear la magnitud del envejecimiento de las piezas analógicas suelen ser el ciclo de trabajo , los valores de carga externa y la tensión de tensión.
Actividad del anillo de E / S
La interfaz entre el "mundo exterior" y el IC se realiza a través del anillo de entrada / salida (E / S). Este anillo contiene puertos de E / S de alimentación, puertos de E / S digitales y puertos de E / S analógicas. Las E / S se conectan (generalmente) a través del paquete IC al "mundo exterior" y cada E / S ejecuta sus propias instrucciones de comando específicas, por ejemplo , puertos JTAG , puertos de suministro de energía IC , etc. La ingeniería de confiabilidad tiene como objetivo envejecer todas las E / S de la misma manera que los otros elementos IC. Esto se puede lograr utilizando una operación de escaneo de límites .
Diseño de monitor
Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal del HTOL es envejecer las muestras por estrés dinámico a voltaje y / o temperatura elevados. Durante la operación HTOL, debemos asegurarnos de que el IC esté activo, alternando y funcionando constantemente.
Al mismo tiempo, necesitamos saber en qué punto el IC deja de responder, estos datos son importantes para calcular índices de confiabilidad de precios y para facilitar el FA . Esto se hace monitoreando el dispositivo a través de una o más señales de parámetros de IC vitales comunicadas y registradas por la máquina HTOL y proporcionando una indicación continua sobre la funcionalidad del IC durante todo el tiempo de ejecución de HTOL. Ejemplos de monitores de uso común incluyen la señal de bandera BIST "hecho", la cadena de salida SCAN o la salida del módulo analógico.
Hay tres tipos de seguimiento:
- Coincidencia de patrones: la señal de salida real se compara con la esperada y alerta sobre cualquier desviación. La principal desventaja de este tipo de monitor es su sensibilidad a cualquier desviación menor de la señal esperada. Durante el HTOL, el IC funciona a una temperatura y / o voltajes que ocasionalmente caen fuera de su especificación, lo que puede causar sensibilidad artificial y / o un mal funcionamiento que falla en la coincidencia pero no es una falla real.
- Actividad: cuenta el número de conmutaciones y si los resultados son superiores a un umbral predefinido, el monitor indica OK. La principal desventaja de este tipo de monitorización es la posibilidad de que se interpreten incorrectamente ruidos o señales inesperados. Este problema surge principalmente en el caso del monitor de conmutación de conteo bajo.
- Actividad dentro de un rango predefinido: Comprueba que el monitor responde dentro de un límite predefinido, por ejemplo, cuando el número de conmutaciones está dentro de un límite predefinido o la salida del regulador de voltaje está dentro de un rango predefinido.
Temperatura ambiente (Ta)
De acuerdo con los estándares JEDEC, la cámara ambiental debe ser capaz de mantener la temperatura especificada dentro de una tolerancia de ± 5 ° C mientras las piezas están cargadas y sin alimentación. Las cámaras ambientales de hoy tienen mejores capacidades y pueden exhibir estabilidad de temperatura dentro de un rango de ± 3 ° C en todas partes.
Temperatura de unión (Tj)
Los circuitos integrados de baja potencia se pueden enfatizar sin prestar mucha atención a los efectos de autocalentamiento. Sin embargo, debido a la escala de la tecnología y las variaciones de fabricación, la disipación de energía dentro de un solo lote de producción de dispositivos puede variar hasta en un 40%. Esta variación, además del IC de alta potencia, hace que los controles avanzados de temperatura de contacto sean necesarios para facilitar los sistemas de control individuales para cada IC.
Tensión de tensión (Vstrs)
El voltaje de funcionamiento debe ser al menos el máximo especificado para el dispositivo. En algunos casos, se aplica un voltaje más alto para obtener una aceleración de por vida tanto del voltaje como de la temperatura.
Para definir la tensión de tensión máxima permitida, se pueden considerar los siguientes métodos:
- Fuerza el 80% del voltaje de ruptura;
- Fuerza seis sigma menos que el voltaje de ruptura;
- Configure la sobretensión para que sea más alta que la tensión máxima especificada. Un nivel de sobrevoltaje del 140% del voltaje máximo se usa ocasionalmente para MIL y aplicaciones automotrices.
Los ingenieros de confiabilidad deben verificar que la tensión V no exceda el voltaje nominal máximo para la tecnología relevante, según lo especificado por la FAB.
Factor de aceleración (AF)
El factor de aceleración (AF) es un multiplicador que relaciona la vida de un producto en un nivel de estrés acelerado con la vida en el nivel de estrés de uso.
Un AF de 20 significa que 1 hora en condiciones de estrés equivale a 20 horas en condiciones útiles.
El factor de aceleración de voltaje está representado por AFv. Por lo general, la tensión de tensión es igual o superior a la tensión máxima. Un voltaje elevado proporciona una aceleración adicional y puede usarse para aumentar las horas efectivas del dispositivo o lograr un punto de vida equivalente.
Hay varios modelos de AFv:
- Modelo E o el modelo exponencial de aceleración de voltaje / campo constante;
- Modelo 1 / E o, equivalentemente, modelo de inyección por agujero anódico;
- Modelo V, donde la tasa de falla es exponencial al voltaje
- Liberación de hidrógeno anódico para el modelo de ley de potencias
AFtemp es el factor de aceleración debido a los cambios de temperatura y generalmente se basa en la ecuación de Arrhenius . El factor de aceleración total es el producto de AFv y AFtemp
Duración de la prueba (t)
La duración de la prueba de confiabilidad asegura el requisito de vida útil adecuado del dispositivo.
Por ejemplo, con una energía de activación de 0,7 eV, una temperatura de estrés de 125 ° C y una temperatura de uso de 55 ° C, el factor de aceleración (ecuación de Arrhenius) es 78,6. Esto significa que 1.000 horas de duración del estrés equivalen a 9 años de uso. El ingeniero de confiabilidad decide la duración de la prueba de calificación. Las buenas prácticas de la industria requieren 1000 horas a una temperatura de unión de 125 ° C.
Tamaño de muestra (SS)
El desafío para los nuevos sistemas de evaluación y calificación de confiabilidad es determinar los mecanismos de falla relevantes para optimizar el tamaño de la muestra.
Los planes de muestra se derivan estadísticamente del riesgo del fabricante, el riesgo del consumidor y la tasa de fallas esperada. El plan de muestreo comúnmente utilizado de cero rechazos de 230 muestras es igual a tres rechazos de 668 muestras asumiendo LTPD = 1 y un intervalo de confianza del 90%.
Política HTOL
Selección de muestras
Las muestras deben incluir muestras representativas de al menos tres lotes no consecutivos para representar la variabilidad de fabricación. Todas las muestras de ensayo se fabricarán, manipularán, tamizarán y montarán de la misma forma que durante la fase de producción.
preparación de la muestra
Las muestras se analizarán antes del estrés y en puntos de control predefinidos. Es una buena práctica de ingeniería analizar muestras a temperaturas máximas y mínimas, así como a temperatura ambiente. Se recopilarán los registros de datos de todas las pruebas funcionales y paramétricas para su posterior análisis.
Duración del exámen
Suponiendo que Tj = 125 ° C, los puntos de control comúnmente utilizados son después de 48, 168, 500 y 1000 horas.
Se pueden calcular diferentes puntos de control para diferentes temperaturas utilizando la ecuación de Arrhenius. Por ejemplo, con una energía de activación de 0,7e V, T j de 135 ° C y T uso de 55 ° C los puntos de control equivalentes estarán a las 29, 102, 303 y 606 horas.
Las pruebas eléctricas deben completarse lo antes posible después de que se extraigan las muestras. Si las muestras no se pueden analizar poco después de su extracción, se debe aplicar un tiempo de estrés adicional. El estándar JEDEC requiere que las muestras se analicen dentro de las 168 horas posteriores a la extracción.
Si la prueba excede la ventana de tiempo recomendada, se debe aplicar un esfuerzo adicional de acuerdo con la siguiente tabla: [2]
Tiempo por encima de la ventana de tiempo recomendada | 0 h | 168 h | 336 h | Otro |
---|---|---|---|---|
Horas de estrés adicionales | 24h | 48h | 72h | 24 horas por cada 168 horas |
Números de mérito
El número de mérito es el resultado de planes de muestreo estadístico .
Los planes de muestreo se ingresan en SENTENCE, una herramienta de auditoría, para garantizar que el resultado de un proceso cumpla con los requisitos. SENTENCE simplemente acepta o rechaza los lotes probados. El ingeniero de confiabilidad implementa planes de muestreo estadístico basados en límites de calidad de aceptación predefinidos, LTPD, riesgo del fabricante y riesgo del cliente. Por ejemplo, el plan de muestreo comúnmente utilizado de 0 rechazos de 230 muestras es igual a 3 rechazos de 668 muestras asumiendo LTPD = 1.
HTOL en diversas industrias
El proceso de envejecimiento de un CI es relativo a sus condiciones de uso estándar. Las tablas siguientes proporcionan referencias a varios productos de uso común y las condiciones en las que se utilizan.
Los ingenieros de confiabilidad tienen la tarea de verificar la duración adecuada de la tensión. Por ejemplo, para una energía de activación de 0,7 eV, una temperatura de estrés de 125 ° C y una temperatura de uso de 55 ° C, una vida operativa esperada de cinco años está representada por un experimento HTOL de 557 horas.
Uso comercial
Min Tuse | Max Tuse | Descripción | Tiempo de vida esperado |
---|---|---|---|
5 ° C | 50 ° C | productos de escritorio | 5 años |
0 ° C | 70 ° C | productos móviles | 4 años |
Uso automotriz
Ejemplo de condiciones de uso de automóviles [1]
Min Tuse | Max Tuse | Descripción | Tiempo de vida esperado |
---|---|---|---|
−40 ° C | 105—150 ° C | bajo condición de capó | 10 a 15 años |
−40 ° C | 80 ° C | estado del habitáculo | 10 a 15 años |
0 ° C | 70 ° C | estado del habitáculo | 10 a 15 años |
Uso de telecomunicaciones
Ejemplo de definición de condiciones de uso de telecomunicaciones europeas
Min Tuse | Max Tuse | Descripción | Tiempo de vida esperado |
---|---|---|---|
5 ° C | 40 ° C | clase 3.1 Ubicaciones con temperatura controlada | generalmente 25 años |
−5 ° C | 45 ° C | clase 3.2 Ubicaciones con temperatura parcialmente controlada | generalmente 25 años |
−25 ° C | 55 ° C | clase 3.3 Ubicaciones sin temperatura controlada | generalmente 25 años |
−40 ° C | 70 ° C | clase 3.4 Sitios con trampa de calor | generalmente 25 años |
−40 ° C | 40 ° C | clase 3.5 Ubicaciones protegidas, radiación solar directa | generalmente 25 años |
Ejemplo de definición de condiciones de uso de telecomunicaciones de EE. UU.
Min Tuse | Max Tuse | Descripción | Tiempo de vida esperado |
---|---|---|---|
−40 ° C | 46 ° C | Entorno incontrolado | 25 años |
5 ° C | 40 ° C | Edificio cerrado | 25 años |
Uso militar
Ejemplo de condiciones de uso militar
Min Tuse | Max Tuse | Descripción |
---|---|---|
-55 ° C | 125 ° C | Productos MIL |
-55 ° C | hasta 225 ° C | aplicaciones de alta temperatura |
Ejemplo
Número de fallas = r
Número de fallos de dispositivos = D
Horas de prueba por dispositivo = H
Celsius + 273 = T (Temperatura de cálculo en Kelvin)
Temperatura de prueba (HTRB u otra temperatura de quemado) =
Temperatura de uso (estandarizada a 55 ° C o 328 ° K) =
Energía de activación (eV) =
Chi Squared / 2 es la estimación de probabilidad para el número de fallas en α y ν
- Nivel de confianza para la distribución X ^ 2; los cálculos de confiabilidad usan α = 60% o .60 = α (alfa)
- Grados de libertad para distribución; los cálculos de confiabilidad usan ν = 2r + 2. = ν (nu)
Factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius =
Constante de Boltzmann ( ) = 8,617 x 10e-5 eV / ° K
Horas del dispositivo ( DH ) = D x H
Horas equivalentes del dispositivo ( EDH ) = D x H x
Tasa de fallas por hora =
Fallos en el tiempo = Tasa de fallos por mil millones de horas = FIT =
Tiempo medio de falla = MTTF
Donde el factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius es:
Tasa de fallas por hora =
Fallos en el tiempo = Tasa de fallos por mil millones de horas = FIT =
Tiempo medio para fallar en horas =
Tiempo medio hasta el fracaso en años = ´
En caso de que desee calcular el factor de aceleración incluida la Humedad, la llamada prueba de esfuerzo altamente acelerada ( HAST ), entonces:
el factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius sería:
dónde es la humedad relativa de la prueba de esfuerzo (en porcentaje). Normalmente es del 85%.
dónde es la humedad relativa de uso típico (en porcentaje). Normalmente, esto se mide en la superficie de la viruta aprox. 10-20%.
dónde es el factor de escala del mecanismo de falla. Que es un valor entre 0,1 y 0,15.
En caso de que desee calcular el factor de aceleración, incluida la Humedad ( HAST ) y la tensión de tensión, entonces:
el factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius sería:
dónde es el voltaje de esfuerzo (en voltios). Normalmente es el VCCx1.4 voltios. por ejemplo, 1.8x1.4 = 2.52 voltios.
dónde es el voltaje de uso típico o VCC (en voltios). Normalmente, VCC es de 1.8v. Dependiendo del diseño.
dónde es el factor de escala del mecanismo de falla. Que es un valor entre 0 y 3,0. Normalmente 0,5 para defecto de unión de silicano.
Ver también
Referencias
- ^ a b Documentos de AEC
- ^ a b Estándar JEDEC
- ^ Norma Militar Archivado el 24 de junio de 2013 en la Wayback Machine.
- siliconfareast
- Comparación de la eficacia de las condiciones de estrés de la calificación de confiabilidad basada en el estrés
- Fiabilidad Hotwire eMagazine
- Manual de SEMATECH