文章來(lái)源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了高溫工作壽命測(cè)試(HTOL)的測(cè)試要求、流程與意義。

高溫工作壽命測(cè)試(High Temperature Operating Life，簡(jiǎn)稱HTOL)是評(píng)估芯片長(zhǎng)期可靠性的核心測(cè)試方法。該測(cè)試通過(guò)模擬芯片在高溫、高壓等極端環(huán)境下的持續(xù)工作狀態(tài)，加速潛在缺陷的暴露，從而在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)芯片在正常使用條件下的壽命和穩(wěn)定性。HTOL被視為芯片可靠性驗(yàn)證中的“終極大考”，直接關(guān)系到產(chǎn)品的長(zhǎng)期質(zhì)量和使用壽命。

測(cè)試條件與時(shí)間要求

HTOL測(cè)試的核心在于施加遠(yuǎn)高于正常使用條件的應(yīng)力和熱應(yīng)力。溫度通常設(shè)置為125°C至150°C，高溫是加速化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過(guò)程的主要因素。電壓方面施加高于額定工作電壓的電壓，一般為額定電壓的1.1倍，但不得超過(guò)絕對(duì)最大額定電壓。測(cè)試過(guò)程中芯片需全程通電并運(yùn)行典型負(fù)載或特定測(cè)試程序，確保內(nèi)部大部分電路處于開關(guān)狀態(tài)，以模擬真實(shí)工作場(chǎng)景。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試周期為1000小時(shí)，期間需在168小時(shí)、500小時(shí)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能回測(cè)。根據(jù)AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的器件等級(jí)劃分，Grade 0級(jí)器件在150°C下測(cè)試1000小時(shí)可等效約10年實(shí)際壽命，Grade 1級(jí)在125°C下同樣等效約10年，Grade 2級(jí)在105°C下等效約5年。

樣品選擇與測(cè)試流程

樣品必須從量產(chǎn)批次中隨機(jī)抽取，且已通過(guò)所有常規(guī)測(cè)試。根據(jù)零失效抽樣理論，常見(jiàn)樣本量為77顆或231顆，汽車電子等高標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域要求更嚴(yán)格的失效率目標(biāo)，需要更大樣本量。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求從三個(gè)非連續(xù)生產(chǎn)批次中各抽取至少77顆芯片，共231顆。對(duì)于含有閃存的芯片，測(cè)試前需先執(zhí)行閃存擦寫實(shí)驗(yàn)，并在閃存中編寫棋盤格式數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程中需持續(xù)對(duì)閃存進(jìn)行讀操作，同時(shí)運(yùn)行數(shù)字部分的掃描測(cè)試、內(nèi)存內(nèi)建自測(cè)試以及各模擬模塊。測(cè)試硬件可選擇子母板結(jié)構(gòu)或插座方案，外圍器件需選用耐高溫、高耐壓元件并配備保險(xiǎn)絲以防短路。

失效機(jī)制與結(jié)果判斷

HTOL測(cè)試中常見(jiàn)的失效機(jī)制包括電遷移、柵氧退化、焊點(diǎn)鍵合失效以及參數(shù)漂移。電遷移是指大電流導(dǎo)致金屬互連線原子遷移形成空洞或晶須，引發(fā)開路或短路。柵氧退化包括經(jīng)時(shí)介質(zhì)擊穿和熱載流子注入，前者導(dǎo)致柵氧層缺陷積累最終擊穿，后者引起閾值電壓漂移。高溫下焊料蠕變和鍵合線脫落也是常見(jiàn)失效模式，同時(shí)漏電流增加和頻率下降等參數(shù)漂移會(huì)反映晶體管驅(qū)動(dòng)能力降低。HTOL通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)最常用的是“零失效”，即在計(jì)劃的樣本量和測(cè)試時(shí)間下不允許出現(xiàn)任何失效。若出現(xiàn)失效，需進(jìn)行失效分析定位根本原因，優(yōu)化設(shè)計(jì)或工藝后重新驗(yàn)證。通過(guò)測(cè)試后，可利用阿倫尼烏斯模型等加速模型計(jì)算加速因子，推算出正常使用條件下的預(yù)期失效率。

行業(yè)應(yīng)用與實(shí)踐

HTOL是AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)中B組加速生命周期模擬測(cè)試的核心項(xiàng)目，對(duì)于車規(guī)級(jí)芯片尤其關(guān)鍵。眾多半導(dǎo)體企業(yè)已將HTOL作為產(chǎn)品化過(guò)程中不可或缺的質(zhì)量閘口。例如，某半導(dǎo)體公司對(duì)所有量產(chǎn)產(chǎn)品均執(zhí)行1000小時(shí)、125°C標(biāo)準(zhǔn)的HTOL測(cè)試，并采用子母板或插座方案實(shí)現(xiàn)老化與自動(dòng)測(cè)試設(shè)備回測(cè)的無(wú)縫銜接。測(cè)試過(guò)程中對(duì)芯片電性參數(shù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)出現(xiàn)異常的芯片通過(guò)多種分析手段定位原因并反饋給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。通過(guò)嚴(yán)格的HTOL驗(yàn)證，芯片制造商能夠有效篩選早期失效、評(píng)估產(chǎn)品壽命并優(yōu)化設(shè)計(jì)，為光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等關(guān)鍵領(lǐng)域提供高可靠性產(chǎn)品支撐。