通用微處理器等效老化試驗方法分析與研究

　　摘要：針對不同工藝、不同設計的功能全兼容集成電路等效老化的需要，提取出了集成電路等效老化的特征參數—“歸一化老化電流”指標α，并討論了等效老化信號的確定方法。結合集成電路等效老化信號確定方法，以CPU486為研究對象，給出通用CPU 等效老化試驗方案，為評估和比較不同CPU 的質量和可靠性提供了統一的試驗平臺。

　　關鍵詞：微處理器（CPU）；等效老化；歸一化老化電流；信號頻率

　　引言

　　老化是一種能夠將產品早期故障剔除的無損篩選試驗技術。集成電路的老化過程實質上就是通過對其施加應力，加速其內部潛在缺陷暴露的過程。經過老化，可以使有缺陷的集成電路在上機使用前失效，從而保證了集成電路最終的使用可靠性。老化的作用主要有兩方面，一是剔除有缺陷的、可能發生早期失效的產品，保證產品的使用可靠性；二是評估和比較不同產品的質量和可靠性水平。

　　近年來，國家通過各種途徑大力扶持微處理器（CPU）產品的研發，已相繼研制出了具有獨立知識產權的CPU 產品。相對于先進的設計和制造技術，國產CPU 質量和可靠性評價技術研究相對滯后。目前國內CPU 老化試驗方案都是由研制單位自己制訂，不同廠家的老化方案間存在較大的差距。如額定工作頻率為33MHz 的CPU，有的單位將老化時鐘頻率定為1MHz，有的將老化時鐘頻率定為20MHz，這樣老化應力強度和老化效果完全沒有可比性，因此無法通過老化試驗進行CPU 產品質量和可靠性水平的評估和比較。作為用戶，希望通過質量和可靠性試驗，評估出更為理想的產品。因此，對CPU 進行等效老化試驗技術的研究，成為CPU 質量和可靠性評估急需解決的問題之一。基于這樣的技術需求，為了解決公正、科學地評估和比較不同CPU 的質量和可靠性水平，本文進行了通用CPU 等效老化試驗技術的研究。

　　CPU 老化試驗技術動態

　　老化試驗原理

　　集成電路的老化過程，實際上是在強環境溫度應力下，通過對其施加電應力模擬其正常工作，使故障盡早出現。老化試驗的目的是保證產品的使用可靠性和評估產品的質量與可靠性水平。集成電路的老化試驗退化模型服從Arrhenius 方程，式（1）為Arrhenius 方程:

　　式中?R（T）是溫度T（為絕對溫度K）時的反應速率，A 為一系數，E a 為對應的反應激活能，k為Boltzmann 常數。溫度T 越高，R（T）越大，退化越快，失效率越高，器件的平均無故障工作時間也越短。許多文獻中的數據表明，對于Si 材料集成電路，在工作過程中，芯片溫度每提高10C，器件的失效率約會增加一倍。因此，芯片溫度在老化過程中起著決定性的作用，老化試驗過程中的應力強弱可以歸結為芯片溫度的高低。

　　老化時，芯片溫度一般可以用下式描述：

　　其中，TJ表示芯片溫度，TA 是指環境溫度，P 為芯片工作功耗，θJA?是芯片到環境的熱阻。由于TA可以設置成相同的值，所以要確定老化時芯片溫度TJ的關鍵就在于確定功率P 與熱阻θJA?的乘積。

　　在老化試驗中，外界可以控制的應力只有環境溫度和電應力，以及被試器件的散熱條件。同樣的老化箱，其中空氣的流速都是相同的，器件的熱阻主要由芯片封裝結構、材料和工藝決定，屬于器件的本征特性。熱阻特性的好壞與芯片功耗一樣，由其設計和制造決定，熱阻越小，產品的可靠性越高。在進行質量和可靠性評價試驗時，對其本征的特性熱阻是必須進行考核的，這樣在考慮老化試驗方案時，重點應該放在老化功耗上。

　　隨著集成電路設計線寬的不斷縮小，由等比縮小效應引起的漏功耗不可避免地增大，為了提高可靠性，集成電路紛紛采用低功耗設計技術。同一類產品，由不同的公司設計生產，盡管功能完全一樣，其功耗卻相差很大，功耗低的產品，工作時的芯片溫度肯定低于功耗高的產品。如果在老化時僅僅考慮芯片溫度，使功耗低的產品與功耗高的產品芯片溫度一致，是不符合實際應用情況的，因而是不科學的，必須研究能夠表征等效老化應力的物理量，以評估老化試驗的等效性。

　　CPU 老化技術難點和存在問題

　　從本質上來說，CPU 老化與傳統的集成電路老化的原理和作用是相同的。一般對于普通的組合邏輯電路，可以選取敏化通路法老化，對于單一的時序邏輯電路則可以采用狀態變遷檢查法老化。但對于CPU 這種功能非常復雜，集成的邏輯和存儲功能模塊繁多的芯片，簡單的老化方法難以達到全面老化的目的。

　　迄今為止，國內CPU 的老化仍然參照MIL-STD-883“微電子器件試驗方法”中方法1005A，該方法規定了老化環境溫度及盡可能模擬實際應用的電激勵等試驗條件，但沒有考慮到工藝變化對VLSI芯片特性的影響。隨著CPU 的工作頻率不斷上升，芯片漏功耗急劇增加，老化時芯片自身功耗發熱對芯片溫度的影響成為必須考慮的因素。如何根據不同的工藝條件來確定老化頻率是CPU 老化試驗的一個關鍵問題。

　　老化向量集的確定是CPU 老化試驗中遇到的另一個挑戰。對CPU 老化而言，老化向量集和老化頻率一樣是十分重要的。不同的老化向量集，對CPU 內部單元的覆蓋率千差萬別，老化效果相差非常大。不同電路之間，只有其內部單元的覆蓋率水平相當時，才能獲得同等的老化效果。