高溫工作壽命

高溫工作壽命（high-temperature operating life，縮寫為HTOL）是一種可靠性測試，應用於積體電路（IC），以確定其內在可靠性。此測試通過在升高的溫度、高電壓和動態操作下，對IC施加預定時間的應力來進行。在應力過程中通常對IC進行監測，並在中間間隔進行測試。此可靠性應力測試有時被稱為「壽命測試」、「器件壽命測試」或「擴展燒機測試」，用於觸發潛在失效模式並評估IC的使用壽命。

存在幾種類型的HTOL：

HTOL 類型｜示意圖｜描述

靜態｜IC在靜態和恆定條件下受壓，IC不切換。

動態｜用於切換設備內部節點的輸入刺激。

檢測型｜用於切換設備內部節點的輸入刺激。實時輸出指示IC性能。

原位測試型｜用於切換設備內部節點的輸入刺激。響應輸出測試IC性能。

- AEC 文檔。
- JEDEC 標準。
- 軍用標準。

## 設計考慮要素

HTOL的主要目標是使器件老化，以便通過短期實驗預測IC的壽命（例如，1 000小時的HTOL應預測至少「X」年運行時間）。良好的HTOL工藝應避免過於寬鬆的測試條件，同時也防止對IC過度應力。該方法使所有IC構建模塊都經歷加速老化，以在短期可靠性實驗中觸發相關失效模式。一個稱為加速因子（Acceleration Factor，AF）的精確倍數用於模擬長期運行條件下的老化。

AF表示相對於實際應用條件的加速老化倍數。

對於有效的HTOL應力測試，應考慮多個變量：

- 數字切換因子
- 模擬模塊操作
- I/O環節活動
- 監測設計
- 環境溫度（Ta）
- 結溫（Tj）
- 電壓應力（Vstrs）
- 加速因子（AF）
- 測試持續時間（t）
- 樣本量（SS）

下面以一個假設的、簡化的IC（包含多個RAM、數字邏輯、一個模擬穩壓模塊和I/O環節）為例，詳細描述上述變量及其各自的HTOL設計考慮要點。

### 數字切換因子

數字切換因子（digital toggling factor，DTF）表示在應力測試期間狀態改變的電晶體數量與IC中數字部分所有門數之比。實際上，DTF是單位時間內切換電晶體的百分比。時間單位與切換頻率相關，通常在HTOL設置中限制為10–20 MHz範圍內。

可靠性工程師力圖在每個時間單位內切換儘可能多的電晶體。RAM（及其他存儲類型）通常通過內建自測試功能激活，而邏輯電路通常通過掃描鏈（SCAN）、線性反饋移位寄存器或邏輯內建自檢（邏輯BIST）激活。

通過評估數字部分的功耗和自加熱效應，可估算器件的老化程度。通過調節電壓應力和/或在HTOL程序中循環這些模塊的時間周期，可使這些度量與IC其他部分的老化程度相匹配。

### 模擬模塊操作

將儘可能多的電子組件集成到單個晶片中的最新趨勢稱為SoC。

該趨勢增加了可靠性工程師的工作難度，因為（通常）晶片的模擬部分相對於其他IC元件耗散更高的功率。

更高的功率可能產生熱點並加速老化。可靠性工程師必須了解晶片上的功率分布，並使所有元件的老化程度保持一致。

在我們假設的SoC中，模擬模塊僅包括一個電壓調節器。實際上，可能還有其他模擬模塊，例如PMIC、振盪器或電荷泵。為了對模擬元件進行高效的應力測試，可靠性工程師必須確定IC中相關模擬模塊的最壞情況。例如，對於穩壓器，最壞情況可能是最大調節電壓和最大負載電流；對於電荷泵，則可能是最小供電電壓和最大負載電流。

良好的工程實踐是在外部使用負載（外部電阻、電感、電容）來強制所需電流。此做法可避免由於晶片不同的工作方案和模擬部分的調節微調而導致的負載差異。

應使用統計方法來檢驗所用負載的統計公差、偏差和溫度穩定性，並為負載定義合適的置信區間，以避免在HTOL操作範圍內過度或不足的應力。使模擬部分老化程度對齊的自由度通常是占空比、外部負載值和電壓應力。

### I/O環節活動

「外部世界」與IC之間的接口是通過輸入/輸出（I/O）環實現的。該環包含電源I/O埠、數字I/O埠和模擬I/O埠。I/O通常通過IC封裝與「外部世界」相連，每個I/O執行其特定的指令，例如JTAG埠、IC電源埠等。可靠性工程的目標是使所有I/O的老化與其他IC元件保持一致，可通過邊界掃描操作來實現。

### 監測設計

如前所述，HTOL的主要目的是通過在高電壓和/或高溫下的動態應力使樣本老化。在HTOL運行期間，我們需要確保IC處於活動、切換並持續正常工作。

同時，我們需要知道IC在何時停止響應，這些數據對於計算可靠性指標和輔助FA非常重要。通過HTOL機台監控並記錄一個或多個關鍵IC參數信號，可以在整個HTOL運行期間持續指示IC的功能狀態。常用的監測信號示例包括BIST的「完成」標誌信號、SCAN輸出鏈或模擬模塊輸出。

監測可分為三種類型：

- 模式匹配：將實際輸出信號與預期信號進行比較，發現任何偏差即報警；此類監測對任何微小偏差都很敏感，而在HTOL中，IC的溫度和/或電壓偶爾會超出規格，可能導致非真實失效的誤匹配。
- 活動計數：統計切換次數，若高於預設閾值則指示正常；此類監測的主要缺點是意外噪聲或信號可能被誤判，尤其是在切換次數較少的監測中更為突出。
- 預定義範圍活動：檢查監測值是否在預設範圍內，例如切換次數是否在限定範圍或電壓調節器輸出是否在限定範圍內。

### 環境溫度（Ta）

根據JEDEC標準，環境試驗箱在加載和斷電期間應能將指定溫度控制在±5 °C以內。現代環境試驗箱性能更佳，可在±3 °C範圍內保持溫度穩定。

### 結溫（Tj）

低功耗IC可以在不特別關注自加熱效應的情況下進行應力測試。然而，由於工藝縮小和製造差異，同一批次設備的功耗差異可達40%。此外，高功率IC需要先進的接觸溫度控制，以便為每個IC提供獨立的控制系統。

### 電壓應力（Vstrs）

應力電壓應至少達到器件的最高額定電壓。在某些情況下，為了利用電壓和溫度共同加速老化，會施加高於額定值的電壓。

為了確定最大允許電壓應力，可考慮以下方法：

- 施加等同於擊穿電壓 80% 的電壓。
- 施加比擊穿電壓低六西格瑪的電壓。
- 設置過壓高於最高額定電壓，MIL和汽車應用有時使用最高電壓140%的過壓水平。

可靠性工程師必須檢查應力電壓不超過晶圓廠所指定的相關工藝最高額定電壓。

### 加速因子（AF）

加速因子（acceleration factor，AF）是將產品在加速應力水平下的壽命與在實際應用應力水平下的壽命聯繫起來的倍數。

加速因子為20時，1 小時的應力條件等同於20小時的實際條件。

電壓加速因子表示為AFv。通常，應力電壓等於或高於最高額定電壓。升高電壓可進一步加速老化，用於增加等效器件小時數或達到等效壽命點。

AFv模型包括：

- E模型（常數場/電壓加速指數模型）。
- 1/E模型（或陽極空穴注入模型）。
- V模型（失效率隨電壓呈指數變化模型）。
- 陽極氫釋放冪律模型。

AFtemp是由溫度變化引起的加速因子，通常基於阿倫尼烏斯方程。總加速因子為AFv與AFtemp的乘積。

### 測試持續時間（t）

可靠性測試持續時間保證器件滿足規定的壽命要求。

例如，若活化能為0.7 eV，應力溫度125 °C，使用溫度55 °C，則根據阿累尼烏斯方程計算出的加速因子為78.6。這意味著1000 小時的應力測試相當於9年的使用壽命。可靠性工程師需確定資格測試的持續時間。行業最佳實踐是在結溫125 °C下進行1000小時測試。

### 樣本大小（SS）

新可靠性評估和資格認證體系面臨的挑戰是確定相關失效機制，以優化樣本量。

樣本方案根據製造商風險、消費者風險和預期失效率進行統計推導。常用的方案是230件樣本中零失效，相當於在假定LTPD=1且置信度90%時，668件樣本中3件失效。

## HTOL政策

### 樣本選擇

樣本應至少來自三個非連續批次，以反映製造變異性。所有測試樣本在製作、處理、篩選和組裝時應與量產階段保持一致。

### 樣品製備

樣本應在應力前及預定檢查點進行測試。最佳做法是在最高額定溫度、最低額定溫度及室溫下測試樣本。所有功能和參數測試的數據日誌應匯總以供進一步分析。

### 測試時長

假定結溫Tj=125 °C，常用檢查點為測試後48、168、500和1000 小時。

不同溫度下的檢查點可通過阿倫尼烏斯方程計算。例如，活化能0.7 eV、Tj=135 °C、Tuse=55 °C時，對應檢查點為29、102、303和606小時。

樣本移除後應儘快完成電測試；若無法及時測試，應增加額外應力時間。JEDEC標準要求樣本在移除後168小時內測試。

若測試超過推薦時限，則應按下表增加應力時間：

超出推薦測試窗口時間｜0 h < h ≤ 168 h｜168 h < h ≤ 336 h｜336 h < h ≤ 504 h｜其他

額外應力時間｜24 h｜48 h｜72 h｜每168 h則增加24 h

### 優值數

優值數是統計抽樣方案的輸出結果。

抽樣方案由審核工具SENTENCE接收，用以判斷批次是否符合要求。可靠性工程師根據預定義的可接受質量限（AQL）、LTPD、製造商風險和客戶風險實施抽樣方案。例如，與230件樣本零失效等效的是在668件樣本中3件失效（LTPD=1）。

## 不同行業的HTOL

IC的老化過程取決於其標準使用條件。下表列出常用產品及其使用條件的參考。

可靠性工程師需驗證應力持續時間。例如，活化能0.7 eV，應力溫度125 °C，使用溫度55 °C時，預計5年使用壽命對應557小時的TOL測試。

### 商業用途

最低使用溫度｜最高使用溫度｜描述｜預期壽命

5 °C｜50 °C｜桌面產品｜5年

0 °C｜70 °C｜移動產品｜4年

### 汽車用

示例汽車使用條件

最低使用溫度｜最高使用溫度｜描述｜預期壽命

−40 °C｜105—150 °C｜引擎蓋下｜10至15年

−40 °C｜80 °C｜乘客艙｜10至15年

0 °C｜70 °C｜乘客艙｜10至15年

### 通信用

示例歐洲電信使用條件

最低使用溫度｜最高使用溫度｜描述｜預期壽命

5 °C｜40 °C｜3.1類溫控場所｜通常25年

−5 °C｜45 °C｜3.2類部分溫度控制場所｜通常25年

−25 °C｜55 °C｜3.3類非溫控場所｜通常25年

−40 °C｜70 °C｜3.4類有熱阱的場地｜通常25年

−40 °C｜40 °C｜3.5級避風處，太陽直接輻射｜通常25年

示例美國電信使用條件

最低使用溫度｜最高使用溫度｜描述｜預期壽命

−40 °C｜46 °C｜不受控制的環境｜25年

5 °C｜40 °C｜封閉式建築｜25年

### 軍用

示例軍用環境

最低使用溫度｜最高使用溫度｜描述

−55 °C｜125 °C｜MIL產品

−55 °C｜up to 225 °C｜高溫應用

### 示例

失效次數 = r

器件數量 = D

每器件測試小時 = H

攝氏度 + 273 = T（開爾文測試溫度）

測試溫度（HTRB或其他老化溫度）= $T_\text{test}$

使用溫度（標準化為55 °C或328 K）= $T_\text{use}$

活化能（eV） = $E_\text{a}$

$\text{X}^2(\alpha,\nu)$為在α和ν下的機率估計

χ2分布的置信水平；可靠性計算使用α=60%或0.60 = α（alpha）

χ2分布的自由度；可靠性計算使用ν = 2r + 2.0 = ν（nu）

根據阿倫尼烏斯方程的加速因子 = $A_\text{f}$

玻爾茲曼常數（$\hbar$） = 8.617×10-5 eV/K

器件工時（DH） = D × H

等效器件工時 ( EDH ) = D × H × $A_\text{f}$

每小時失效率 = $\lambda_\text{hours}$

每十億小時失效率（FIT） = $\lambda_\text{FIT}$

平均失效時間 = MTTF

其中，阿倫尼烏斯方程的加速因子為： $\displaystyle A_\text{f}= e^{\frac{E_\text{a}}{\hbar} \times (\frac{1}{T_\text{use}}-\frac{1}{T_\text{test}})}$

每小時失效率 = $\lambda_\text{hour} = \frac{X^2(\alpha,\nu)}{2 \times D \times H \times A_\text{f}} = \frac{X^2(\alpha,\nu)}{2 \times EDH}$

每十億小時失效率（FIT） = $\lambda_\text{FIT} = \lambda_\text{hours} \times 10^9$

平均失效時間（小時）= $MTTF_\text{hours} = \frac{1}{\lambda_\text{hours}}$

平均失效時間（年）= $MTTF_\text{years} = \frac{1}{(\lambda_\text{hours} \times 24 \times 365)}$ ´

若要在計算中包含濕度（即高加速應力測試），則：

根據阿倫尼烏斯方程，加速因子為： $\displaystyle A_\text{f}= e^{\beta \times (\text{HR}_\text{test} - \text{HR}_\text{use})} \times e^{\frac{E_\text{a}}{\hbar} \times (\frac{1}{T_\text{use}}-\frac{1}{T_\text{test}})}$

其中$\text{HR}_\text{test}$為應力測試相對濕度（%），通常85%。

其中$\text{HR}_\text{use}$為使用時相對濕度（%），通常測於晶片表面約10–20%。

$\beta$為失效機制比例因子，取值0.1–0.15。

若同時考慮濕度（HAST）和電壓應力，則：

根據阿倫尼烏斯方程，加速度因子為： $\displaystyle A_\text{f}= e^{\zeta \times (\text{V}_\text{test} - \text{V}_\text{use})} \times e^{\beta \times (\text{HR}_\text{test} - \text{HR}_\text{use})} \times e^{\frac{E_\text{a}}{\hbar} \times (\frac{1}{T_\text{use}}-\frac{1}{T_\text{test}})}$

其中$\text{V}_\text{test}$為應力電壓（V），通常取VCC×1.4，如1.8×1.4=2.52 V。

$\text{V}_\text{use}$為典型使用電壓（V），例如1.8 V。

$\zeta$為失效機制比例因子，取值0–3.0，矽結缺陷通常取0.5。

### 低溫外推

HTOL測試常需進行外推，以評估設備在正常負載條件下的失效情況。失效物理學和數據驅動模型通常難以外推，因而混合模型更受青睞。例如，基於實驗數據的物理資訊馬爾可夫鏈模型，通過利用測試案例與數據集間的機械相似性進行推斷和外推。

## 相關

- 電晶體老化
- 阿倫尼烏斯方程
- 應力遷移
- 半導體器件可靠性
- 電子元件失效
- 浴缸曲線