Ускоренные испытания

На практике для подтверждения требуемой надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем часто требуются продолжительные испытания, что экономически не выгодно, так как они требуют значительных затрат оборудования, приборов и энергоресурсов. В этом случае прибегают к ускоренным испытаниям, в процессе которых создаются экстремальные условия эксплуатации, способствующие «старению» изделия. Ускоренные испытания могут выявить только определенные типы отказов. И прогнозирование на их основе надежности изделия в других условиях эксплуатации требует знания всех типов возможных отказов и проходящих при этом физических процессов.

Под ускоренными испытаниями (УИ) понимаются такие испытания, при которых уровень принимаемых нагрузок превышает уровень нагрузок обычных испытаний в целях сокращения времени, необходимого для определения реакции изделия на воздействие нагрузок, или для усиления реакции за определенный промежуток времени.

УИ рассматриваются как разновидность физического моделирования, позволяющего оценить надежность приборов при сжатом масштабе времени. В качестве ускоряющих факторов, способствующих выявлению потенциально слабых, дефектных мест в приборах, используются следующие повышенные нагрузки: тепловое воздействие, механические воздействия в виде линейных ускорений, ударов и вибрационных нагрузок, влажность, давление окружающей среды, электрическая нагрузка и т.д.

Выбор ускоряющих факторов и их интенсивности в каждом конкретном случае должен базироваться на следующих принципах:

1. Определение ускоряющих факторов должно основываться на знании закономерностей воздействия различных видов нагрузки на скрытые дефекты в приборах (желательно знать степень ускорения и быть уверенным в том, что интенсивность воздействия стабильна в заданных условиях и обеспечивает тем самым воспроизводимость результатов).

2. При воздействии ускоряющих факторов физические процессы, возбуждаемые ими, должны быть теми же, что и при обычной эксплуатации, т.е. в ускоренных и обычных условиях типы отказов должны быть одни и те же. С энергетической точки зрения это означает, что энергия активации механизмов отказов, стимулируемых ускоряющими факторами, не изменяется.

3. Условия проведения ускоряющих факторов должны быть такими, чтобы после их окончания была возможность проанализировать отказавшие изделия для установления причин отказов.

Некоторые виды ускоряющих факторов и дефекты, выявляемые ими, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Примечание: (+) — возможность выявления указанного дефекта.

Одним из методов УИ является проведение испытаний под последовательно возрастающей нагрузкой, т.е. нагрузку увеличивают ступенчато через равные промежутки времени. При этом нагрузка ограничивается появлением новых механизмов отказа.

УИ под последовательно возрастающей нагрузкой основываются на двух допущениях:

1. Деградация параметров имеет накопительный характер:

где

D - общее разрушение;

d_j — разрушение параметров j -го уровня;

Rj{S,T) - скорость разрушения;

t_j- продолжительность испытаний;

S — электрическая нагрузка (ток, мощность и др. факторы);

Т- рассматриваемом разделе - температура;

j— уровень.

2. Скорости деградации и разрушения при наличии нескольких механизмов отказа должны быть независимы.

Наибольший эффект дают ускоренные испытания в электрическом режиме при повышенных температурах. При этом в ряде случаев выбирают повышенные температуры в сочетании с обратным напряжением (смещением). Обычно при выборе режима таких испытаний исходят из закона С.А. Аррениуса, который было введен им для описания деградационных процессов.

Например, для интенсивности отказов он может быть записан в следующей форме:

где E _а — энергия активации процесса;

k - постоянная Больцмана,

К_λ - коэффициент, характеризующий конструкцию прибора и его технологический процесс изготовления.

Данное выражение не может быть непосредственно использовано для вычислений показателей надежности, т.к. коэффициенты К_λ, как правило, не известны. Однако построив в полулогарифмическом масштабе зависимость

можно по ее наклону определить энергию активации дефектов E _а, вызывающих отказы, а по форме кривой судить о стабильности механизма, ответственного за данный вид отказов.

Возможные варианты зависимостей интенсивности отказов приборов и энергии активации дефектов от уровня тепловой и электрической нагрузки приведены на рис. 12.

Рис.12. Зависимости интенсивности отказов приборов и энергии активации дефектов

от уровня тепловой и электрической нагрузок:

a - в диапазоне нагрузки действует один вид дефекта с энергией активации E _а;

б - в диапазоне нагрузки - два вида дефектов с разными энергиями активации;

в - в диапазоне нагрузки - три вида дефектов;

T_к - критическая температура активации дефекта.

Для проведения УИ выбирается диапазон нагрузки с постоянной энергией активации дефектов. В приведенных примерах приемлемые диапазоны нагрузок лежат в пределах заштрихованной части рисунков. Выбор данных уровней нагрузки связан с тем, что за отказы, возникающие в приборах, ответственны дефекты, активируемые нагрузкой, близкой к нагрузке, испытываемой приборами в реальной эксплуатации. При повышении нагрузки активируются дефекты, которые в обычных условиях остаются нейтральными и не влияют на надежность приборов.

Условия УИ для конкретного вида приборов формируются на большом статистическом материале, получаемом при длительных испытаниях в широком диапазоне температур. По результатам испытаний строится семейство характеристик зависимости средней наработки до отказа (что идентично времени испытаний) от температуры при соответствующем электрическом смещении.

Пример такого семейства характеристик УИ при повышенных температурах с приложением обратного смещения показан на рис. 13.

Рис.13. Семейство характеристик УИ при повышенных температурах с приложением

обратного смещения

Исходя из предположения, что в пределах диапазона температур +125...+300 °С действуют одни и те же механизмы отказов, делается вывод о том, что испытания при +300 °С в течение 10 ч (точка А¹) идентичны по своему воздействию испытаниям в течение 10⁵ ч при температуре +125 °С (точка В'). Беря отношение среднего времени наработки до отказа при +125 °С к среднему времени наработки при +300 °С, получим коэффициент ускорения ае для данного вида испытаний, он равен 10⁴. Во столько раз сокращается время испытаний при выборе данного конкретного режима ускорения.

С увеличением продолжительности ускоренных испытаний при +300 °С характеристика смещается вправо, в сторону больших значений времени испытаний (УИ при +300 °С в течении 100 ч будут эквивалентны

испытаниям при +125 °С в течении 130 лет (точки С', D')). Смещение характеристик в сторону больших значений времени испытаний свидетельствует 'о значительном повышении надежности приборов относительно первоначального уровня (точки А', В').

Проблемы ускоренных испытаний в форсированных режимах:

1. Определение воздействующих факторов, при которых в течение времени форсирования сохраняется тот же характер и механизм деградации параметров, что и при нормальных видах испытаний, т.е. выполняется условие автомодельности механизма отказа.

2. Нахождение аналитических выражений для определения коэффициентов форсирования режимов испытаний приборов, что чаще всего достигается путем воздействия повышенной температуры окружающей среды, увеличения электрической мощности или комбинации обоих факторов.

При воздействии температуры окружающей среды согласно теории Аррениуса, деградационному процессу, т.е. химическому взаимодействию, предшествуют более быстрые процессы активации и установление статистического равновесия. При этих условиях будет справедливым уравнение Аррениуса:

где R(T) - зависимость константы скорости химической реакции от абсолютной температуры,

- характеризует долю активных столкновений при температуре Т, или вероятность того, что частицы имеют энергию, достаточную для вступления в реакцию;

А - постоянная деградации;

Е_а - постоянная (энергия активации), определяемая для каждого процесса его особенностями.

Коэффициент ускорения (форсирования) протекания процесса определяется из уравнения Аррениуса:

где t_н и t_уск - время появления отказа при нормальной и повышенной температурах соответственно.

Если Т_н = 25 °С = 298 К, а Т_уск = 370 °С = 643 К, то = ехр(20,89 E _а).

Расчет показывает, что время, требуемое для ускорения процесса при E _а = 0,1 эВ, не может быть уменьшено более чем в 10 раз. Если же

При увеличении T_уск коэффициент форсирования повышается, причем T_уск можно повышать только до момента возникновения следующего механизма деградации.

Модель Аррениуса приемлема, когда скорость деградации параметров не зависит от электрической нагрузки или воздействие электрической нагрузки эквивалентно термической. Если для проведения ускоренных испытаний используются другие виды нагрузки, то за основу испытаний берут модель Эйринга.

Например:

где Р — электрическая нагрузка

а, Р, у - коэффициенты, учитывающие функции приложенной нагрузки. Коэффициент форсирования протекания процесса, основанного на модели

Эйринга, определяется как

Однако методика экстраполяции ускоренных испытаний с помощью модели Эйринга сложна и не нашла широкого практического применения.

При выборе электрических режимов и температуры важно не нарушать условие неизменности процесса, вызывающего отказ, так, например, при испытании кремневого транзистора предельная температура на р — -п- переходах приблизительно равна 300-350 °С, т.к. при больших температурах образуется эвтектический сплав Al-Si и появляются отказы, не свойственные эксплуатации при нормальной температуре. Интегральные микросхемы в пластмассовых корпусах нельзя испытывать при Т > 250 °С. Для МОП ИС из-за высокой чувствительности прибора к ионным загрязнениям предельная температура приблизительно равна 300 °С.

Таким образом, ускоренные испытания являются методом отбраковки приборов со скрытыми дефектами и позволяют решать задачу определения количественных показателей надежности.

Пример. Предположим, что из форсированных испытаний микросхем заданного типа было найдено, что срок службы микросхем при заданной квоте отказов при температуре 150 °С составляет 10⁵ ч. Оценить, каков будет срок службы при температуре 50 °С (20 °С), если доминирующими являются отказы с энергией активации Е_а = 1 эВ.

Решение. Будем считать, что справедливо соотношение Аррениуса, применимое для интенсивности отказов и срока службы изделия:

Значения электрических (электромагнитных, светотехнических, электромеханических и др.) параметров изделий в течение Т (г_х) и 7^ устанавливают в ТЗ, стандартах и ТУ. При этом нормы параметров должны быть равны нормам, установленным для приемки (поставки), если иное не уста­новлено в ТЗ, стандартах и ТУ.

Оценку соответствия изделия заданным требованиям к надежности на стадиях разработки и производства осуществляют по ГОСТ РВ 20.57.414.

Поиск по сайту: