專用集成電路老煉技術研究

姚 鼎，孫家坤

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222061）

專用集成電路老煉技術研究

姚 鼎，孫家坤

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222061）

集成電路老煉是剔除產(chǎn)品早期失效的有效手段，通過對集成電路老煉試驗技術的研究，以HTI2000SN集成電路老煉系統(tǒng)為依托，以MAX1480為例，系統(tǒng)介紹了專用集成電路老煉的方案設計與實現(xiàn)。

集成電路；老煉；MAX1480

引言

目前國內(nèi)通用集成電路的篩選老煉由篩選設備生產(chǎn)廠家提供篩選設備和篩選老煉程序，由用戶進行篩選老煉。專用集成電路的老煉由于沒有專門的設備和技術一直沒有開展，只有部分專門的檢測機構(gòu)根據(jù)自身設備的特點，自行研究開發(fā)了一部分，設備不同也不能通用，且品種太少，沒有具體的規(guī)范。在系統(tǒng)分析某單位型號軍品所使用的專用集成電路主要特性及使用狀況的基礎上，本文以某單位現(xiàn)有集成電路老煉系統(tǒng)HTI2000SN為基礎，以專用集成電路MAX1480為例開展集成電路高溫動態(tài)老煉研究，其老煉方法的研究具有很強的代表性和針對性。

1 集成電路老煉原理分析

老煉試驗是通過電路加速或提前失效而不改變其失效機理的一種無損試驗，根據(jù)經(jīng)典反應速率理論，電路發(fā)生的擊穿、腐蝕、斷裂、電遷移、氧化和擴散等變化都是構(gòu)成其最小物質(zhì)（如原子、分子等）的化學和物理反應，并且這些反應均隨著電、熱等外界應力的增加而加速。也就是說溫度和電應力是器件失效的最關鍵因素，集成電路的篩選老煉過程實質(zhì)上就是在其壽命周期早期階段施加電應力和熱應力，加速器件內(nèi)部潛在缺陷的暴露，以剔除早期失效產(chǎn)品，使合格器件迅速進入失效率恒定且較低的偶然失效期，從而保證了集成電路最終的使用可靠性。

集成電路的失效狀況可由壽命浴盆曲線表示如圖1所示，集成電路缺陷引起的早期失效一般產(chǎn)生在1 000 h以內(nèi)，之后器件進入長達幾十年的偶然失效期，通過老化試驗可以使器件早期失效期由1 000 h縮短為幾十小時。實踐證明，如果提高內(nèi)部溫度及偏壓，能加速使器件產(chǎn)生早期失效，圖2表示失效激活能、失效時間、溫度和失效激活能的關系。

圖1 電子元器件壽命浴盆曲線

集成電路早期失效的反應速率與溫度的關系一般用Arrhenius方程來表述：

式（1）中：

R(T)-反應速率；

A-常數(shù)；

K-波爾茲曼常數(shù)（8.63×10 - 5 eV/k）；

E-激活能（eV）；

T-絕對溫度（K）。

Arrhenius方程是集成電路的老煉試驗技術的理論基礎，式（1）中可以看出，通過提高器件內(nèi)部的溫度和偏壓，可以加速器件失效，縮短試驗時間；另一方面可以利用加速因子可對器件的可靠性進行有效的評估。對于任何激活能來說，其加速因子都可用Arrhenius方程式來確定：

式（2）中：T0、T1，分別為應用環(huán)境條件和試驗環(huán)境條件下的絕對溫度。

式中溫度T越高，R(T)越大，老化越快，失效率越高。對于Si材料集成電路，工作中芯片溫度每提高10 ℃，其失效率將會增加約一倍。在常溫額定條件下進行常規(guī)或自然老煉，需要高達1 000 h才能使器件進入偶然失效期，而在提高老煉溫度的條件下，只需要幾十個小時（如48 h）就可以將集成電路存在的缺陷暴露出來。

圖2 失效激活能關系圖

2 MAX1480老煉方法開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 MAX1480性能分析

MAX1480是完備的電氣隔離型RS-485/RS-422數(shù)據(jù)通信接口方案，采用混合微電路結(jié)構(gòu)。收發(fā)器、光耦、電源驅(qū)動器和變壓器集成在一個標準的28引腳DIP封裝內(nèi)提供完備的接口方案。信號和電源通過電氣隔離在內(nèi)部傳輸，電源從邏輯側(cè)（非隔離側(cè)）通過一個中心抽頭變壓器傳輸?shù)诫姎飧綦x側(cè)，信號通過高速光耦實現(xiàn)電氣隔離。邏輯側(cè)的+5 V單電源為接口兩側(cè)電路供電，MAX1480提供半雙工通信。MAX1480B/MAX1480C的限擺率驅(qū)動能夠最大程度地降低EMI，并降低電纜不良匹配造成的反射，允許以最高250 kbps的數(shù)據(jù)速率進行無誤碼數(shù)據(jù)傳輸，MAX1480A的驅(qū)動器不限制擺率，傳輸速率可達2.5 Mbps。

MAX1480的關斷功能可使電源電流降至0.2 μA，通過SD引腳控制。利用FS引腳選擇隔離電源驅(qū)動器的高、低開關頻率。當FS為低電平時，驅(qū)動器工作在535 kHz較低開關頻率；當FS為高電平時，驅(qū)動器工作在725 kHz較高開關頻率。FS引腳內(nèi)部具有弱上拉，F(xiàn)S浮空時能夠使器件切換到高頻工作模式。接收器輸入具有失效保護功能，當輸入開路時確保RO為邏輯高電平輸出，對于MAX1480，將DE′置為高電平時使能驅(qū)動器輸出。MAX1480A的驅(qū)動器使能時間典型值為0.2 μs，MAX1480B的使能時間典型值為35 μs，MAX1480C的使能時間典型值為0.5 μs。發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要預留時間以保證器件使能。使能后，驅(qū)動器輸出將作為線驅(qū)動器。DE′為低電平時，驅(qū)動器輸出為高阻態(tài)。輸出為高阻時將作為線接收器。

MAX1480通常可承受1 600 VRMS（1 min）或2 000 VRMS（1 s），邏輯輸入可從串聯(lián)了一個電阻的TTL/CMOS邏輯電路驅(qū)動，接收到得數(shù)據(jù)輸出直接驅(qū)動TTL或CMOS邏輯電路，只需采用電阻上拉。SD引腳可控制關斷內(nèi)部電源驅(qū)動器的振蕩器。當初級側(cè)關斷時，沒有電源跨過電氣隔離層。然而，如果非隔離側(cè)的驅(qū)動信號為低電平，DI和DE光耦仍將消耗電流。因此，關斷模式下，請將DI′和DE′置高或浮空。在此狀態(tài)下， MAX1480B/ MAX1480C電源電流降至0.2 μA。MAX1480A/ MAX1480C的內(nèi)部高速光耦從VCC5（MAX1490A為VCC4）額外消耗10 mA電流，MAX1480的原理框圖見圖3。

圖 3 MAX1480原理框圖

MAX1480引腳圖見圖4。

2.2 MAX1480篩選老煉程序開發(fā)

圖4 MAX1480引腳圖

根據(jù)上述分析的MAX1480器件的特性，其內(nèi)部主要功能模塊有5個，分別是變壓器模塊模塊、變壓器控制模塊（直流到交流的轉(zhuǎn)換）、DC-DC模塊、MAX1487/ MAX487模塊、光電耦和器模塊（3組光耦）。對該器件進行篩選老煉試驗，需提供40路數(shù)字信號，每路信號具有數(shù)據(jù)、地址、控制和三態(tài)編輯功能，為了能測試一幀信號，數(shù)字信號的編程深度需達到256 Kbit以上。另外，MAX1480是28引腳DIP非標準封裝的器件，其第1、2、 8、10引腳為電源VCC，5、12、16、20引腳為地GND（隔離輸出端的地與輸入地接在一起），9、11、15腳為輸入端，13、23、25為測量端，9、11為光耦的輸入端，其低電平時有效，故其低電平的輸入電流需大于10 mA，15腳為光耦的陽極輸出端，故要求其高電平的輸出能力要大于10 mA。信號的最高頻率達到1 MHz，分辨率則要求達到100 ns，能夠同時滿足10個器件試驗，則信號的驅(qū)動能力IOHMAX!≥100 mA IOLMAX!≥50 mA，40路數(shù)字信號需由硬件產(chǎn)生，這些信號可通過HTI2000N系統(tǒng)的圖形發(fā)生器來產(chǎn)生，并通過系統(tǒng)軟件來控制信號的波形、幅度，電源電壓及輸入電平。

2.3 老煉夾具的設計制作

為了使MAX1480老煉時內(nèi)部各模塊都工作起來，我們在設計老煉試驗線路時，充分考慮了該器件的特性，共設計了3個輸入端口，DI為串行數(shù)據(jù)輸入端、DE為串行數(shù)據(jù)信號輸入使能端、ISO RO LED為RO的光耦控制端，三級輸入工作時，可使內(nèi)部的所有模塊均處于工作狀態(tài)，（該線路不同于常規(guī)的工作線路，如果采用常規(guī)的工作線路，則只能進行2個光耦的試驗）。另外MAX1480包括MAX1480A、MAX1480B、MAX1480C三種具體型號，老化程序相同，區(qū)別只是老化板限流電阻不同。

MAX1480老煉原理圖如圖5。

MAX1480老煉PCB線路板圖如圖6。

2.4 基于HTI2000SN系統(tǒng)的MAX1480老煉實現(xiàn)

圖5 MAX1480老煉板原理圖

圖6 PCB板截圖

圖7 MAX1480老煉工作流程

圖8 MAX1480 老煉波形編輯

圖9 MAX1480波形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

MAX1480老煉工作流程如圖7。

根據(jù)MAX1480各引腳特性在相應的32路波形編輯空間中編輯老煉波形，編輯的老煉波形如圖8所示。

該波形文件編輯完成后保存在數(shù)據(jù)庫里，高電平為1,低電平為0。

打開數(shù)據(jù)庫，如圖9顯示，BX1為對應的引腳號，后面數(shù)據(jù)為波形數(shù)數(shù)據(jù)。

老煉試驗時只需通過HTI2000SN上位機控制軟件將編輯好的器件參數(shù)發(fā)送至老煉臺進行老煉。

3 結(jié)束語

隨著集成電路集成度的不斷提高，專用集成電路的廣泛應用，如何面對專用集成電路老煉的迫切需求，開發(fā)出可操作的老煉試驗規(guī)范是值得探索的。

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Study on the Burn-in Technology of Application-specif c Integrated Circuits

YAO Ding, SUN Jia-kun
(NO.716 Institute of China shipbuilding Industry Coporation,Lianyungang 222061)

Integrated circuits burn-in technology is an effective method to eliminate the early failure of product. By studying integrated circuits burn-in test technology, and based on the IC burn-in system of HTI 2000SN, this paper takes MAX1480 as the example, and introduces systematically the burn-in conceptual design and achievement of application-specific integrated circuits.

integrated circuits; burn-in; MAX1480

TN492

A

1004-7204（2015）04-0035-06

姚鼎（1987-），男，江蘇連云港人，工程師，主要從事元器件篩選檢測技術研究工作。