集成电路老化试验与检测技术研究

集成电路老化试验与检测技术研究

陈海锋,关卫斌,张尚福

（广东产品质量监督检验研究院，广东，广州，510000）

摘要

集成电路的老化对电路的稳定性以及可靠性有一定的影响，甚至会影响整个模块的功能，降低其寿命，导致整个模块失效。针对这些问题，对集成电路的老化基本知识进行了阐述，对集成电路老化的因素进行了详细分析，研究了集成电路老化试验和集成电路检测技术，并分别对其进行了详细描述。为集成电路老化问题的提供了有效的检测方法。

关键词：集成电路；老化试验；检测技术

Research on Integrated Circuit Aging Test and Detection Technology

CHEN Hai-feng  Guan Wei-bin  Zhang Shang-fu

（Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision, Guangzhou 510000,Guangdong）

Abstract: The aging of integrated circuits has a certain impact on the stability and reliability of the circuit, and even affects the function of the entire module and reduces its life, and will lead to the failure of the entire module. In response to these issues, the basic knowledge of integrated circuit aging is described, the factors affecting integrated circuit aging are analyzed in detail, and integrated circuit aging testing and integrated circuit detection techniques are studied and described in detail. It provides an effective detection method for the aging problem of integrated circuits.

Key words: Integrated circuit; Aging test; Detection technology

1、引言

随着信息技术的快速发展，集成电路的工艺不断进行改良优化，尺寸不断的缩小，电路的集成度以及工作性能越来越高。集成电路对老化故障的问题也越来越突出，随之而来引发一些可靠性问题。尤其是在高端的仪器设备上，比如在航天航空电子设备、战略武器系统、医疗器械、精密仪器、电子通信等行业，如何解决集成电路老化问题，提高集成电路可靠性成为当下首要考虑的问题。集成电路可靠性成为制约各行业核心部件可靠性的关键因素，其作用甚至不亚于集成电路的电气性能。

由于集成电路电路设计复杂、结构精细、流程繁琐，很难避免在设计生产过程中不留下缺陷，这种缺陷可能暂时影响不到集成电路的性能。但是随着时间推移，器件老化后，缺陷便会慢慢暴露出来，便会出现许多可靠性问题，进而降低集成电路寿命，同时也大大增加其成本。如果老化问题未能得到及时处理，甚至还有可能会引发严重的安全事故。如何尽快地将集成电路的缺陷暴露出来，在其使用前进行验证检测，是提高集成电路可靠性的重要手段。而要想实现这一手段，提高集成电路得可靠性，则需要对集成电路进行老化测试。

老化试验的目的是为了筛选或剔除那些勉强合格的器件。这些器件或是本身具有固有的缺陷，或其制造工艺控制不当产生缺陷，这些缺陷会造成与时间和应力有关的失效。如不进行老化试验，这些有缺陷的器件在使用条件下会出现初期致命失效或早期寿命失效。因此，筛选时用最大额定工作条件或在最大额定工作条件之上对集成电路施加应力，或施加能以相等的或更高的灵敏度揭示出随时间和应力变化的失效模式的等效筛选条件。

2、集成电路老化的因素分析

2.1集成电路老化基本知识

集成电路老化是指在一定条件下工作使用长时间后，集成电路上的一些部件参数会随着使用时间的改变而发生变化，导致其电性能逐渐下降，进而影响集成电路的可靠性与稳定性。

一般来说，集成电路老化后，其工作频率会下降且其信号也会出现延迟。若老化程度越高，其工作频率下降及信号延迟的问题越严重。图1是集成电路浴盆曲线图，集成电路的生命周期一般分为三部分：早夭期、正常使用期、老化期。早夭期主要是因电路在设计、生产制造过程中产生的缺陷，如焊接空洞、硅片表面附粘颗粒、栅极氧化层过薄等，这阶段集成电路拥有高失效率下降很快。如果集成电路未经过老化试验，则需要很长的时间才能将早期的缺陷暴露出来，且在使用过程中会出现较多的早期失效。但如果经过了老化试验筛选，淘汰早期失效产品，集成电路便进入失效率较低的正常使用期。在正常使用期故障原因是比较随机的，多数是因软错误导致的，但软错误的失效一般是暂时性的，不会对电路产生永久的故障。在老化期阶段，失效率慢慢升高，这主要是集成电路部件老化造成的，部件老化会导致PMOS管的阈值电压升高、信号延迟，进而导致集成电路性能下降。

                            图1 集成电路浴盆曲线图

集成电路老化试验是对集成电路通过施加热应力以及电应力，加速其缺陷暴露的试验。经过多次试验，给集成电路施加高温以及偏压，能加快内部潜在缺陷的暴露时间。试验证明，提高集成电路的温度以及偏压，能加速集成电路潜在失效的出现，这些失效的效率与温度可以用Arrhenius方程来表示：

R（T）=Aexp（-E/kT）

上式中：

R（T）：反应速率；

A：常数；

K：玻尔兹曼常数（8.63*10-5eV/K）

E：激活能（eV）

T:绝对温度（℃+273）

2.2集成电路老化的因素

随着技术的发展，集成电路的工艺尺寸设计得越来越小，集成电路的稳定性要求就越来越高。当集成电路的老化后，电路的可靠性会变低，影响电路老化的原因有很多，其中最常见的是NBTI效应（负偏置温度不稳定效应）、经时击穿（TDDB）以及电子迁移等。

2.2.1 NBTI效应

NBTI效应是指在高温下对集成电路（主要是PMOS晶体管）施加负栅压而引起的一系列电性能的退化。NBTI效应会影响集成电路的阈值电压发生负偏移，从而导致漏极电压变小，也增加电路延迟时间，因此会导致PMOS晶体管的性能下降。这些原因会导致集成电路的故障发生率，影响其可靠性能。其示意图如图2所示

2.2.2经时击穿（TDDB）

经时击穿又叫时间相关的介电层击穿，是指在偏压条件下工作时, 栅氧化层的漏电流会逐渐增加,增加到一定值时会被击穿，导致栅氧化层失去了绝缘特性，从而使得集成电路出现老化现象。在正常情况下,栅氧化层的检测是在恒定电压下进行的。

2.2.3电子迁移

电子迁移是指在高温的条件下，集成电路的线路上的金属会随着电子的流动而产生金属迁移。因为集成电路的精密度比较高且线路较小，电流的密度很大，电流中的电子流动会产生很大的动量，而这些动量会作用在线路上的金属原子，使得金属原子会脱离金属表面，进而使得集成电路上的线路出现断裂情况。

3、集成电路老化试验

集成电路的老化试验方法很多，本文主要讨论采用高温老化试验方法。其试验温度与时间可以按照表1作为参考。试验前确定试验条件应记录并贯穿整个试验过程，对于用引线、双螺旋栓或外壳固定的器件应用引线、双螺旋栓或外壳，按照它们的正常方式进行安装，保持连接点温度不低于环境温度。

表1 老化试验时间与温度对应关系

注：H级和K级都是质量的分级

老化试验后的测试检查应在集成电路移出试验条件后的96小时内完成，否则会影响实际结果。在去除配置前，所有的电路器件应冷却到与室温下加功率时处于稳定情况下的温度之间差别不超过10℃。对于线性或MOS电路以外的器件，如果在撤除试验条件后的30min内被是测试样品的外壳温度能够降到35℃以下，并且能够在去除偏置后的5min内将样品从老化箱内取出，也可在冷却期间去除偏置。

4、集成电路检测技术

集成电路检测技术是保障集成电路可靠性关键的技术，通过该技术可以快速查找出其失效原因。一般可分为两方面：外观结构的检查以及测试特性参数。

4.1内外结构的检查

试验装配前与试验拆卸后的主要检查项目和要求包括：

a）样品模块壳体无破损；

b）样品模块连接端子无变形、氧化；

c）样品模块的连接可靠；

d）样品模块紧固件无松脱现象

e）内部线路无断裂，结构正常。

以上项目可以通过键合强度试验、X射线照相、机械开封、DPA内部目检、SEM检查、粒子碰撞噪声检查、超声波检查等方式进行检查。

4.2特性参数检查

接受判定特性、按受判据和测量条件见表 2。

表2接受判定特性、按受判据和测量条件

注：其中USL和LSL分别为规范手册上限和规范手册下限

5、结束语

随着科技的快速发展，集成电路的工艺水平也越来越高，其尺寸慢慢向微型化发展，对集成电路的稳定性和可靠性的要求也越来越高。其中老化故障问题日渐突出，是影响其电性能、可靠性和鲁棒性的重要原因。对于集成电路的各种老化问题，需要更深入的研究，分析NBTI效应（负偏置温度不稳定效应）、经时击穿（TDDB）以及电子迁移等老化影响因素的原理，同时也要加强对集成电路的老化试验和检测技术的研究，提高其检测技术水平，加快推动集成电路的发展 。

参考文献

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