通用微处理器等效老化试验方法分析与研究

　　摘要：针对不同工艺、不同设计的功能全兼容集成电路等效老化的需要，提取出了集成电路等效老化的特征参数—“归一化老化电流”指标α，并讨论了等效老化信号的确定方法。结合集成电路等效老化信号确定方法，以CPU486为研究对象，给出通用CPU 等效老化试验方案，为评估和比较不同CPU 的质量和可靠性提供了统一的试验平台。

　　关键词：微处理器（CPU）；等效老化；归一化老化电流；信号频率

　　引言

　　老化是一种能够将产品早期故障剔除的无损筛选试验技术。集成电路的老化过程实质上就是通过对其施加应力，加速其内部潜在缺陷暴露的过程。经过老化，可以使有缺陷的集成电路在上机使用前失效，从而保证了集成电路最终的使用可靠性。老化的作用主要有两方面，一是剔除有缺陷的、可能发生早期失效的产品，保证产品的使用可靠性；二是评估和比较不同产品的质量和可靠性水平。

　　近年来，国家通过各种途径大力扶持微处理器（CPU）产品的研发，已相继研制出了具有独立知识产权的CPU 产品。相对于先进的设计和制造技术，国产CPU 质量和可靠性评价技术研究相对滞后。目前国内CPU 老化试验方案都是由研制单位自己制订，不同厂家的老化方案间存在较大的差距。如额定工作频率为33MHz 的CPU，有的单位将老化时钟频率定为1MHz，有的将老化时钟频率定为20MHz，这样老化应力强度和老化效果完全没有可比性，因此无法通过老化试验进行CPU 产品质量和可靠性水平的评估和比较。作为用户，希望通过质量和可靠性试验，评估出更为理想的产品。因此，对CPU 进行等效老化试验技术的研究，成为CPU 质量和可靠性评估急需解决的问题之一。基于这样的技术需求，为了解决公正、科学地评估和比较不同CPU 的质量和可靠性水平，本文进行了通用CPU 等效老化试验技术的研究。

　　CPU 老化试验技术动态

　　老化试验原理

　　集成电路的老化过程，实际上是在强环境温度应力下，通过对其施加电应力模拟其正常工作，使故障尽早出现。老化试验的目的是保证产品的使用可靠性和评估产品的质量与可靠性水平。集成电路的老化试验退化模型服从Arrhenius 方程，式（1）为Arrhenius 方程:

　　式中?R（T）是温度T（为绝对温度K）时的反应速率，A 为一系数，E a 为对应的反应激活能，k为Boltzmann 常数。温度T 越高，R（T）越大，退化越快，失效率越高，器件的平均无故障工作时间也越短。许多文献中的数据表明，对于Si 材料集成电路，在工作过程中，芯片温度每提高10C，器件的失效率约会增加一倍。因此，芯片温度在老化过程中起着决定性的作用，老化试验过程中的应力强弱可以归结为芯片温度的高低。

　　老化时，芯片温度一般可以用下式描述：

　　其中，TJ表示芯片温度，TA 是指环境温度，P 为芯片工作功耗，θJA?是芯片到环境的热阻。由于TA可以设置成相同的值，所以要确定老化时芯片温度TJ的关键就在于确定功率P 与热阻θJA?的乘积。

　　在老化试验中，外界可以控制的应力只有环境温度和电应力，以及被试器件的散热条件。同样的老化箱，其中空气的流速都是相同的，器件的热阻主要由芯片封装结构、材料和工艺决定，属于器件的本征特性。热阻特性的好坏与芯片功耗一样，由其设计和制造决定，热阻越小，产品的可靠性越高。在进行质量和可靠性评价试验时，对其本征的特性热阻是必须进行考核的，这样在考虑老化试验方案时，重点应该放在老化功耗上。

　　随着集成电路设计线宽的不断缩小，由等比缩小效应引起的漏功耗不可避免地增大，为了提高可靠性，集成电路纷纷采用低功耗设计技术。同一类产品，由不同的公司设计生产，尽管功能完全一样，其功耗却相差很大，功耗低的产品，工作时的芯片温度肯定低于功耗高的产品。如果在老化时仅仅考虑芯片温度，使功耗低的产品与功耗高的产品芯片温度一致，是不符合实际应用情况的，因而是不科学的，必须研究能够表征等效老化应力的物理量，以评估老化试验的等效性。

　　CPU 老化技术难点和存在问题

　　从本质上来说，CPU 老化与传统的集成电路老化的原理和作用是相同的。一般对于普通的组合逻辑电路，可以选取敏化通路法老化，对于单一的时序逻辑电路则可以采用状态变迁检查法老化。但对于CPU 这种功能非常复杂，集成的逻辑和存储功能模块繁多的芯片，简单的老化方法难以达到全面老化的目的。

　　迄今为止，国内CPU 的老化仍然参照MIL-STD-883“微电子器件试验方法”中方法1005A，该方法规定了老化环境温度及尽可能模拟实际应用的电激励等试验条件，但没有考虑到工艺变化对VLSI芯片特性的影响。随着CPU 的工作频率不断上升，芯片漏功耗急剧增加，老化时芯片自身功耗发热对芯片温度的影响成为必须考虑的因素。如何根据不同的工艺条件来确定老化频率是CPU 老化试验的一个关键问题。

　　老化向量集的确定是CPU 老化试验中遇到的另一个挑战。对CPU 老化而言，老化向量集和老化频率一样是十分重要的。不同的老化向量集，对CPU 内部单元的覆盖率千差万别，老化效果相差非常大。不同电路之间，只有其内部单元的覆盖率水平相当时，才能获得同等的老化效果。