基於多應力加速實驗快速提取加速係數的方法
2024-04-14 15:06:05
1.本發明涉及基於多應力加速實驗，快速提取集成電路晶片中加速係數的方法，屬於可靠性實驗領域。
背景技術：
2.隨著現代信息化時代的高速發展，集成電路在信息電子、通訊電子、消費電子、汽車電子、醫療電子等範圍內發揮了重大作用。集成電路可靠性是正常運行的基礎，只有提高集成電路晶片可靠性，才能確保整個設備的可靠性。隨著集成電路種類越來越多，如何在較短時間內對這些高可靠、長壽命的晶片進行評價，成為亟待解決的問題。
3.目前，通常認為晶片通過標準的考核，其長期使用可靠性就可以得到保障。然而，可靠性評價標準中的實驗方案是基於不同產品具有相同加速係數的假設提出的，及假設不同產品具有相同的失效機理。例如，汽車電子委員會(automotive electronics council)針對集成電路可靠性發布的質量認定標準aecq-100中，可靠性考核方案中的溫度加速係數是假定產品的失效激活能為0.5ev左右推算得出的。
4.而實際情況下，由於不同產品的設計、工藝、封裝等差異，對應的失效機理及激活能差異很大。然而，由於激活能和加速係數提取實驗時間長，獲取成本高，目前大部分產品並沒有進行相關實驗，因而利用假定的激活能及加速係數進行aecq-100等實驗考核。因此，不同的產品的可靠性考核中，會引入顯著的誤差，導致產品的可靠性不能得到保證。
5.如何在短時間內獲取晶片的激活能及加速係數，是可靠性評價標準中最關鍵的問題。針對該問題，可以利用提高應力、參數外推及多應力加速壽命實驗的方法。對於集成電路晶片產品，其可承受的最高應力水平有限，若繼續提高應力水平來縮短實驗時間，可能會導致失效機理發生改變。並且，集成電路的輸出參數通常為數位訊號，無法表徵其參數的退化過程，因此，用參數外推來縮短實驗時間的方法也不可行。多應力加速壽命實驗需要更多的應力水平條件，實驗時間雖然可以縮短，但實驗的種類增加，成本大幅提高。
技術實現要素：
6.針對上述問題，本發明提出一種基於多應力加速實驗快速提取集成電路晶片加速係數的方法，從而解決可靠性評價體系中加速係數未知的問題。該方法無需完成一個完整的多應力加速壽命實驗，利用現有的測試設備以及加速模型，縮短實驗時間，即可完成對電壓加速係數、溫度加速係數、溫度梯度指數、溼度加速係數(包含但不僅限於此)的快速提取。
7.本發明採用的技術方案如下：
8.根據摸底特性實驗以及步進應力實驗結果，多應力加速實驗中選取多個實驗應力，但僅改變其中一個應力水平，用於該應力對應加速係數的快速提取，其它應力則保持最高工作水平恆定不變，僅用來加速晶片退化，縮短實驗時間；將加速實驗的失效數據進行記錄，使用matlab或origin等軟體對上述數據進行擬合，無需外推晶片的壽命，即可快速得到
其應力下的加速係數。
9.實現該測試條件的設備包括：電源1；被測晶片以及測試板2；溫箱3；數據採集軟體4；所述溫箱用於對所述被測晶片以及測試板加溫，所述電源為被測晶片以及測試板提供工作電壓，所述測試軟體用於給所述被測晶片進行數據採集。
10.本發明還包括以下步驟：
11.步驟一：將晶片放入測試板，通過1)電源對晶片上電配置，利用4)數據採集軟體測量晶片在室溫下正常工作的初始輸出數據，從而作為基準，分別改變電源電壓、溫箱溫度、溫度梯度以及溼度，進行數據採集與計算，確定與晶片退化有關的應力對象；
12.步驟二：讓晶片分別在不同應力下保持退化一段時間，再回到正常工作應力進行採集與計算，記錄晶片在不同應力下的步進特性，從而確定晶片可以承受的最高應力水平；
13.步驟三：選取多個與晶片退化有關的不同實驗應力，只改變要提取加速係數對應的應力水平，按一定步長每隔24h步進一次，其他幾個應力則保持在最高工作應力下，從而確定所選晶片可承受的最高多應力水平；
14.步驟四：根據選擇的多應力類型以及單應力下的加速模型，進行對應的多應力加速模型的推導；
15.步驟五：根據晶片可以承受的最高多應力水平，制定多應力恆定加速實驗的實驗方案，只改變要提取的加速係數對應的應力水平，其他應力水平保持最高恆定不變，僅用於加速晶片退化；
16.步驟六：將按上述步驟進行的多應力恆定加速實驗的失效數據代入加速壽命模型，計算擬合得到晶片的激活能與對應的加速係數。
17.【步驟解釋說明】
18.步驟一中測量的實驗應力包含電應力、溫度應力、溫度梯度應力、溼度應力，但不僅限於此，並且在不同應力下必須保持一段時間，待晶片在此應力下穩定後再進行數據採集與計算，記錄晶片在不同應力下的退化參數特性曲線，從而確定不同應力對晶片可靠性的影響；
19.步驟二中進行單應力步進實驗時，按照一定步長，在每個應力水平下保持24小時，再恢復正常工作水平下進行測量，若失效數大於等於50％，停止實驗，否則，提高一個應力水平，繼續實驗24小時，以此類推，直至失效超過50％，然後降低一個應力水平，作為晶片的最高應力(步進時長僅為示例，本發明包括其它時長)；
20.步驟三與步驟五的多應力步進實驗與多應力恆定加速實驗中，僅改變其中一個應力，用於該應力對應加速係數的快速提取，其它應力保持不變，都在最高應力水平下，僅用來加速晶片退化，縮短實驗時間；
21.步驟五多應力加速實驗方案中，要提取的加速係數對應的應力等級至少不少於兩個，為了減小誤差，一般選擇三個以上；
22.步驟四中的多應力加速模型以溫度與電壓雙應力為例，計算加速係數以及激活能，其公式如下：
[0023][0024]
其中所需計算的為電壓加速係數c和激活能e，l為加速實驗所得的失效時間，v為
實驗電壓應力，t為實驗溫度應力。
[0025]
兩個應力等級的失效數據相比：
[0026][0027]
提取電壓加速係數時，溫度t保持不變，僅用來加速晶片退化，即：
[0028][0029]
提取激活能時，電壓v保持不變，僅用來加速晶片退化，即：
[0030][0031]
根據步驟六中兩個不同的應力等級下的失效時間，可以分別計算出激活能e以及電壓加速係數c。
[0032]
本發明的有益效果是：
[0033]
本發明所述的方法以及測試條件簡單、操作便捷，針對某集成電路晶片的可靠性參數測量，基於多應力恆定加速實驗，無需完成一個完整的壽命實驗，縮短實驗時間，即可實現不同集成電路晶片的激活能以及不同應力的加速係數的快速提取，從而為其制定可靠性考核方案以及可靠性評價體系，評估其使用可靠性。
附圖說明
[0034]
圖1：為本發明所涉及測試裝置圖，圖中：1-ro puf晶片及測試板，2-溫箱，3-電源，4-數據採集軟體；
[0035]
圖2：本發明所涉及測試過程的流程圖；
[0036]
圖3：以ro puf為例，晶片的電壓、溫度特性曲線；
[0037]
圖4：以ro puf為例，晶片的步進電壓、溫度曲線；
[0038]
圖5：以ro puf為例，晶片的雙應力步進曲線；
具體實施方式
[0039]
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行更詳細的說明。
[0040]
以ro puf晶片溫度電壓雙應力恆定加速壽命實驗為例，本發明所涉及的測試置如圖1所示，包括測試板、電源、puf晶片、溫箱、數據採集計算軟體。
[0041]
被測ro puf的樣品總共十片，測試板有兩個，最高工作電壓為5.9v。
[0042]
本發明所涉及方法的流程圖如圖2所示，包括以下步驟：
[0043]
步驟一：將ro puf晶片放入測試板，電源接入3.3v電壓，用數據採集軟體測量晶片在室溫正常工作下的初始輸出數據，從而作為基準。將電壓從1.5v每隔0.2v步進一次，每次電壓下保持工作3小時，並且在實際工作電壓下進行數據採集，再與基準比較計算片內漢明距離，當片內漢明距離＞10％或無法測數，實驗結束，得到晶片的電壓特性；
[0044]
步驟二：當溫箱達到設定溫度後，穩定3小時，認為此時晶片工作在設定溫度。讓溫箱溫度從-60℃每隔10℃變化一次，在每個溫度下進行測量，當片內漢明距離＞10％或無法
測數，實驗結束，得到晶片的溫度特性；
[0045]
步驟三：隨機抽選樣品，步進溫度實驗下，晶片接入正常工作電壓3.3v，溫度從80℃開始，中間每隔10℃步進測量一次。保證在所選溫度下保持24小時後，再冷卻到室溫穩定下進行數據採集。將採集到的數據與室溫下作對比，從而計算片內漢明距離。若失效數大於等於50％，停止實驗，否則，提高10℃，繼續實驗24小時，以此類推。直至失效超過50％，然後降低10℃，作為最高溫度應力；
[0046]
步驟四：隨機抽選樣品，晶片工作在室溫下，工作電壓從3.3v開始，每隔0.2v步進一次。在每個工作電壓下晶片保持工作狀態24小時，然後恢復到3.3v進行測量和數據採集。若失效數大於等於50％，停止實驗，否則，提高0.2v，繼續實驗24小時，以此類推。直至失效超過50％，然後降低0.2v，作為最高電壓應力；
[0047]
步驟五：將puf晶片接入步驟四中的最高工作電壓，再將晶片放入溫箱，從50℃起每隔10℃步進一次，保持24小時後，恢復室溫3.3v穩定下後進行數據採集計算其片內漢明距離。若失效數大於等於50％，停止實驗，否則，提高10℃，繼續實驗24小時，以此類推。直至失效超過50％，然後降低10℃，作為最高溫度應力t1，實驗結束，三組恆定最高電壓應力，不同溫度應力的加速實驗等級選為t1、t1-15℃、t1-30℃；
[0048]
步驟六：將puf晶片接入3.3v電壓，再將晶片放入溫箱，溫箱溫度設置為步驟三中的最高工作溫度，讓電壓從3.3v每隔0.2v變化一次，保持24小時後，恢復室溫3.3v穩定下後進行數據採集計算其片內漢明距離。若失效數大於等於50％，停止實驗，否則，提高0.2v，繼續實驗24小時，以此類推。直至失效超過50％，然後降低0.2v，作為最高電壓應力v1，實驗結束，三組恆定最高溫度應力，不同電壓應力的加速實驗等級選為v1、v1-0.2v、v1-0.4v；
[0049]
步驟七：根據溫度加速對應的阿倫尼斯模型以及電壓對應的逆冪率模型，進行對應的雙應力加速模型的推導；
[0050]
步驟八：根據步驟五、步驟六中的實驗等級進行六組雙應力加速實驗，根據雙應力加速實驗的失效數據以及雙應力加速模型，擬合計算晶片的激活能以及加速係數。