海思芯片HTOL老化測(cè)試技術(shù)規(guī)范

1、HTOL測(cè)試技術(shù)規(guī)范擬制：克魯魯爾審核：批準(zhǔn)：日期：2019-10-30歷史版本記錄版本時(shí)間起草/修改人內(nèi)容描述審核人批準(zhǔn)人V1.02019-10-30克魯魯爾首次發(fā)布適用范圍:該測(cè)試它以電壓、溫度拉偏方式，加速的方式模擬芯片的運(yùn)行狀況，用于芯片壽命和長(zhǎng)期上電運(yùn)行的可靠性評(píng)估。本規(guī)范適用于量產(chǎn)芯片驗(yàn)證測(cè)試階段的HTOL老化測(cè)試需求。簡(jiǎn)介：HTOL(HighTemperatureOperatingLife)測(cè)試是芯片電路可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵性的基礎(chǔ)測(cè)試，它用應(yīng)力加速的方式模擬芯片的長(zhǎng)期運(yùn)行，以此評(píng)估芯片壽命和長(zhǎng)期上電運(yùn)行的可靠性，通常稱(chēng)為老化測(cè)試。本規(guī)范介紹DFT和EVB兩種模式的HTOL測(cè)試方法，

2、HTOL可靠性測(cè)試工程師需要依據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模式完成HTOL測(cè)試。引用文件：下列文件中的條款通過(guò)本規(guī)范的引用而成為本規(guī)范的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內(nèi)容)或修訂版均不適用于本規(guī)范，然而，鼓勵(lì)根據(jù)本規(guī)范達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本規(guī)范。序號(hào)參考標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明1JESD22-A108DHTOL標(biāo)準(zhǔn)2JESD47I可靠性總體標(biāo)準(zhǔn)3JESD74A半導(dǎo)體早期失效計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)1.測(cè)試流程HTOL測(cè)試概要HTOL主要用于評(píng)估芯片的壽命和電路可靠性，需要項(xiàng)目SE、封裝工程師、可靠性工程師、硬件工程師、FT測(cè)試工程師

3、共同參與，主要工作包括：HTOL向量、HTOL測(cè)試方案、HTOL環(huán)境調(diào)試、HTOL測(cè)試流程執(zhí)行、測(cè)試結(jié)果分析、失效定位等。HTOL可以用兩種方式進(jìn)行測(cè)試：DFT測(cè)試模式和EVB測(cè)試模式。DFT和EVB模式對(duì)比DFT(DesignForTestability)測(cè)試模式：集成度較高的IC一般有DFT設(shè)計(jì)，其HTOL模式一般在DFT測(cè)試模式下進(jìn)行，以?huà)呙桄?、?nèi)建BIST、內(nèi)部環(huán)回、JTAG,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯的翻轉(zhuǎn)、讀寫(xiě)、自測(cè)試和IO的翻轉(zhuǎn)等，其數(shù)字邏輯、memory、IP、IO的以串行方式運(yùn)行。EVB(EvaluationBoard)功能模式：即正常應(yīng)用模式，HTOL也可以在該模式下更符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，

4、該模式下芯片各模塊一般按照真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景并行運(yùn)行。DFT模式HTOLEVB模式HTOL說(shuō)明晶體管覆蓋率高低1、DFT模式天生具備極高晶體管覆蓋率2、EVB功能模式對(duì)晶體管覆蓋率難以掌控電路覆蓋率高中1、DFT方式可以確保所有電路IP都有覆蓋2、取決于實(shí)際電路，不一定覆蓋所有電路覆蓋方式Stuck-At/BIST/LoopbackFunction1、DFT:測(cè)試專(zhuān)用，不同于實(shí)際功能模式2、EVB:跑實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景電路運(yùn)行方式串行為主并行為主1、DFT:各模塊依次運(yùn)行，動(dòng)態(tài)時(shí)間短、靜態(tài)時(shí)間長(zhǎng)2、EVB:各模塊并行，與實(shí)際工作場(chǎng)景吻合功耗功耗不均勻，差異大均勻1、DFT：memory功耗偏高，IP功耗

5、偏低，Pattern切換時(shí)電流跳變大，容易燒片2、EVB：功耗相對(duì)恒定硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單復(fù)雜1、DFT：對(duì)外圍電路及單板時(shí)序要求低，容易實(shí)現(xiàn)多芯片并行老化2、EVB：硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，難以多芯片并行老化環(huán)境搭建簡(jiǎn)單復(fù)雜1、DFT：硬件簡(jiǎn)單，搭建方便，調(diào)試較簡(jiǎn)單2、EVB：只能單個(gè)單板依次搭建和調(diào)試過(guò)程監(jiān)控難簡(jiǎn)單1、DFT：受限于老化機(jī)臺(tái)，難以實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控2、EVB：可實(shí)時(shí)監(jiān)控并保存數(shù)據(jù)總結(jié)：基于DFT的HTOL方案：容易實(shí)現(xiàn)多批次、大樣本量及持續(xù)監(jiān)控，適合Process相關(guān)的可靠性問(wèn)題激發(fā)；EVB的HTOL方案：難以實(shí)現(xiàn)大批量測(cè)試，適合應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)的設(shè)計(jì)類(lèi)可靠性問(wèn)題激發(fā)；基于DFT的HTOL方案依賴(lài)

6、專(zhuān)用的測(cè)試平臺(tái)，一般在專(zhuān)業(yè)測(cè)試公司進(jìn)行。EVB方案不依賴(lài)測(cè)試平臺(tái)，可在實(shí)驗(yàn)室溫箱進(jìn)行；應(yīng)該選擇符合實(shí)際需求的HTOL測(cè)試方法，二者結(jié)合，相互補(bǔ)充；1.3HTOL測(cè)試流程DFT模式工程師FT測(cè)試工程師可靠性工程師EVB功能模式電壓一般按1.1X電壓設(shè)置，但可以設(shè)置更高的電壓，說(shuō)明如下：推薦設(shè)置為“MaximumOperatingVoltage”電壓，一般超出正常電壓5%10%左右，該電壓在Datasheet中有詳細(xì)規(guī)定。如果該電壓下芯片結(jié)溫達(dá)不到要求，則需要提高電壓以滿(mǎn)足老化加速條件，但是不能超過(guò)AbsoluteMaximumRatedVoltage，否則會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生破壞性損傷。這兩個(gè)電壓芯片D

7、atasheet一般都會(huì)給出，以TI的TMS320F28035為例：5.4RecommendedOperatingConditionsMIHNM/MAXUNITDwE宇圖函voilage.I/O.吊*%2.973.3363VDevicewo的vdlagteCPU.Vg(WhenintemVREGisdi物b但dand18Vissuppi滄國(guó)審neij1.71LBkK5V溫度最低結(jié)溫Tj要求125,且結(jié)溫不得高于150o然而，對(duì)于沒(méi)有集成內(nèi)部溫度傳感器的IC,結(jié)溫?zé)o法直接測(cè)量，需要用公式推算：T=T+0 xPicjc其中：Tj:結(jié)溫，JunctionTemperature；Tc:殼溫，CaseT

8、emperature,即芯片封裝外殼溫度，調(diào)試過(guò)程中可用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；%:PN結(jié)-外殼的熱阻，表征材料的導(dǎo)熱性，芯片Datasheet會(huì)給出；P:芯片總功耗；溫度調(diào)試方法為，環(huán)境溫度升到125C,測(cè)試芯片在該條件下的總功耗。然后由于結(jié)溫有范圍(125,150),可通過(guò)x尸反推特定結(jié)溫下要求的殼溫，通過(guò)升高或降Cjjc低環(huán)境溫度，將殼溫調(diào)節(jié)到特定值。最終的環(huán)境溫度大概率不是125C,且功耗P相對(duì)于125c條件下會(huì)有些細(xì)微變化，但一般認(rèn)為變化較小可忽略不計(jì)。樣本量參考JESD47I標(biāo)準(zhǔn)，樣本量按照LTPD抽樣規(guī)則，要求如下：要求樣本量為3Lots/77units,即三個(gè)批次(批次間隔時(shí)間三15天

9、)每批次77個(gè)樣本。實(shí)際測(cè)試中，一般會(huì)用TT芯片做第一、第三批次的測(cè)試，第二批用corner芯片。參考海思的方法，消費(fèi)類(lèi)芯片一般為3Lots/45units(0Fail)(LTPD=5),網(wǎng)絡(luò)類(lèi)芯片一般為3Lots/77units(0Fail)(LTPD=3)o抽樣檢驗(yàn)的樣本量的取樣原則按下表所示:67809410711*15335270346086703隈溫胃7901234363犯O.134567faiblcASampleSizefornMaliniurn%DefetShe刊川911(oiifidlenceAfcep忸neeNumberLTPDLTPDLTPDLTPDLTPDLTPDLTPD

10、C1075321.51022324576IM1562301365577129例25939925376106177266355532EXAMPLE:UsinggenericdnlaforHTOLwithairDquircnicTitof0nycctsfirom230i)amplc5.If700sannpksofgenericdauiarcavailable,themaximumnuimbeiroffailures,thatwillmretthequrdifi陽(yáng)tiontestrequircniCTilis3faoluircsfrorntheLTPD=Icol.rmn.45units(0Fail)

11、對(duì)照上表可以找到對(duì)應(yīng)為L(zhǎng)TPD=5,AcceptanceNumber=0。抽樣檢驗(yàn)上的解釋為：若該批次抽樣45units且檢驗(yàn)無(wú)失效，則該批次失效率不超過(guò)LTPD=5(5%)的置信度在90%以上，消費(fèi)方高概率接收該批次產(chǎn)品。同理可推77units(0Fail)的含義是：若該批次抽樣77units且檢驗(yàn)無(wú)失效，則該批次失效率不超過(guò)LTPD=3(3%)的置信度在90%以上，消費(fèi)方高概率接收該批次產(chǎn)品。不同的老化的電壓、溫度、老化時(shí)間的組合對(duì)應(yīng)的早期失效率不一樣，因此電壓、溫度、老化時(shí)間需要綜合計(jì)算，以便抽樣測(cè)試的結(jié)果能滿(mǎn)足早期失效率要求(詳細(xì)細(xì)節(jié)參考JESD74A說(shuō)明)，對(duì)CMOS工藝，經(jīng)驗(yàn)證單個(gè)

12、晶體管在1.4x電壓、140c范圍內(nèi)不會(huì)改變失效模式，不會(huì)出現(xiàn)HardFail。溫度加速因子:(1)其中:E為激活能，由實(shí)驗(yàn)條件決定;ak為普朗克常量；T為正常使用條件下的結(jié)溫(單位：K)；uT為加速條件下的結(jié)溫(單位：K)；a電壓加速因子:A=explyxF-V/（2）Vau其中：y為電壓加速指數(shù)，由實(shí)驗(yàn)條件決定；V為加速條件下的電壓；aV為正常使用條件下的電壓；u總加速因子：A=AxA（3）TV正常使用條件下等效使用時(shí)間：t=Axt（4）ua其中，t是加速條件下的試驗(yàn)時(shí)間。a早期失效率ELFR（inFIT）：ELFR(inFIT)=109x入=109x%2(2xAxNxt)(5)、,(%C

13、L,2r+2)a早期失效率ELFR(inppmpertELF)：ELFR(inppm)=109x入xtx10-3ELF=109x%2（%CL,2r+2）（2xAxNxtaJ10-3其中：九為指數(shù)分布的失效率；%2為卡方分布；N為樣本量；CL是置信度；r是失效樣本量，2r+2是卡方分布的自由度；tELF是定義的早期時(shí)間；加速模型中，E和y為關(guān)鍵參數(shù)，不同工藝、失效模式下不盡相同，需要慎重使用，a否則可能影響對(duì)失效的判斷。對(duì)于一般的HTOL試驗(yàn)的Aging失效模式等效計(jì)算，E和y可a參考Foundry提供的數(shù)據(jù)。下文未特殊說(shuō)明時(shí)，則默認(rèn)E=0.7eV、y=1V-1。a舉例說(shuō)明如何計(jì)算一定條件下老化

14、試驗(yàn)的早期失效率和等效使用時(shí)間：測(cè)試條件如下：ParametersExpressionValueUnitActivationEnergyEa0.7eVVoltageAccelerationExponent1V-1oltzmannsonstantk8.62E-05eV/KStressVoltageVa1.98VStressTemperatureTa125NormalOperatingVoltageVu1.8VNormalOperatingTemperatureTu55TestDurationt1000hourSampleSizeN77unitTemperatureAccelerationFact

15、orAT=expEa/k*1/Tu1/Ta77.94VoltageAccelerationFactorA=exp*VaVuVi1.20AccelerationFactora=at*av93.31SpecifiedEarlyLifePeriodt-LF12monthTotalRejectsr0unit下面三個(gè)表給出：分別固定電壓、溫度、測(cè)試時(shí)間三個(gè)條件中的兩個(gè)，計(jì)算不同電壓、溫度、測(cè)試時(shí)間下對(duì)應(yīng)的等效使用年限。電壓1.1x1.2x1.3x等效使用年（溫度=125,測(cè)試時(shí)間=1000h）10.6512.7515.27ppm(year,CL-60%)1118934780溫度125130135等效使用

16、年（電壓=1.1x,測(cè)試時(shí)間=1000h）10.6513.7217.57ppm(year，CL-60%)1118868678測(cè)試時(shí)間168h500h1000h等效使用年（電壓=1.1x,溫度=125）1.795.3310.65ppm(year，CL-60%)665022351118計(jì)算表如下：高溫操作壽命HTOL及早期EFR計(jì)算公HTOL測(cè)試注意事項(xiàng)試驗(yàn)流程的注意事項(xiàng)確定老化模塊的關(guān)鍵參數(shù)：HTOL試驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)在幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行ATE測(cè)試，來(lái)確定芯片是否完好。在ATE測(cè)試過(guò)程中，我們會(huì)記錄各個(gè)模塊的關(guān)鍵參數(shù)，如logic和Memory電路的最高工作頻率FMAX和最低工作電壓VDDMIN，用于分

17、析該參數(shù)在老化過(guò)程中的變化。老化向量需用的管腳列表：該列表包括3部分：1）老化向量的管腳，如：信號(hào)管腳，電源管腳。2）電源管腳。3）其他閑置的管腳：這些管腳必須配置成固定電平，并同時(shí)在管腳列表中說(shuō)明。老化向量回仿：ATE轉(zhuǎn)化后的老化向量，可能需要返回前端進(jìn)行仿真，確認(rèn)老化向量的轉(zhuǎn)換是否正確。老化板調(diào)試：將老化向量通過(guò)老化測(cè)試機(jī)臺(tái)接入老化板并驅(qū)動(dòng)芯片工作，測(cè)試芯片的輸出管腳并抓取波形，如果確認(rèn)波形正確后，老化板調(diào)試才能結(jié)束并開(kāi)始HTOL測(cè)試，記錄的管腳和波形。EVB功能模式下同樣需要運(yùn)行程序確認(rèn)各部分工作正常。高溫功耗測(cè)試：HTOL測(cè)試的時(shí)候，芯片的結(jié)溫不能高于150，因此需要通過(guò)芯片在試驗(yàn)條件

18、下測(cè)試準(zhǔn)確殼溫和功耗，計(jì)算芯片的結(jié)溫。在HTOL測(cè)試前，將芯片至于高溫條件下（125），測(cè)試其功耗。芯片殼溫測(cè)試：將芯片至于老化設(shè)備中將溫度升到125，模擬試驗(yàn)的條件下，用溫度計(jì)測(cè)試芯片表面溫度。HTOL測(cè)試環(huán)境溫度確定:將測(cè)試到的殼溫和功耗，計(jì)算芯片的結(jié)溫，確定其是否滿(mǎn)足結(jié)溫高于125且低于150的要求。如果在范圍外則需要調(diào)整環(huán)境溫度。芯片高溫工作確認(rèn)：根據(jù)確定的測(cè)試環(huán)境溫度，將測(cè)試機(jī)臺(tái)至于其溫度下，將老化板和芯片放入其中，通過(guò)引線(xiàn)到機(jī)臺(tái)外面并用示波器抓取其波形。如果波形和室溫下的波形相同，確認(rèn)老化向量可以在高溫下運(yùn)行。0、168、500、1000小時(shí)ATE測(cè)試：在室溫下將老化試驗(yàn)的芯片標(biāo)號(hào)并進(jìn)行ATE測(cè)試，記錄每個(gè)芯片的關(guān)鍵參數(shù)，并保存datalog。EVB功能模式的老化同樣需要測(cè)試并記錄關(guān)鍵參數(shù)。3.2DFT模式下，測(cè)試機(jī)臺(tái)需求1）輸入通道數(shù)：老化機(jī)臺(tái)的輸入通道數(shù)為96個(gè)，包括時(shí)鐘信號(hào)。2）最高工作頻率：5M3）向量存儲(chǔ)深度：128K,向量可以通過(guò)loop減少存儲(chǔ)的深度。DFT模式下，老化向量覆蓋模塊需求：HTOL測(cè)試成員參考但不限于以下因素來(lái)確定老化向量覆蓋的模塊：1）IP/IO和工藝存在的風(fēng)險(xiǎn)：如使用未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的IP或者IO等。2）