高温動作寿命

高温動作寿命 (HTOL)は、集積回路(IC)の固有の信頼性を判断するために適用される信頼性テストです。このテストでは、所定の期間、高温、高電圧、動的動作で IC にストレスをかけます。通常、IC はストレス下で監視され、中間間隔でテストされます。この信頼性ストレス テストは、寿命テスト、デバイス寿命テスト、または拡張バーンインテストと呼ばれることもあり、潜在的な故障モードをトリガーして IC の寿命を評価するために使用されます。

HTOL にはいくつかの種類があります。

• AEC文書^[1]
• JEDEC規格^[2]
• 軍の基準^[3]

HTOL の主な目的は、デバイスをエージングして、短い実験で IC の寿命を予測できるようにすることです (たとえば、1,000 HTOL 時間で最低「X」年間の動作を予測します)。優れた HTOL プロセスでは、緩い HTOL 動作を避け、IC に過度のストレスがかかるのを防ぎます。この方法では、IC のすべての構成要素をエージングして、関連する障害モードをトリガーし、短い信頼性実験で実装できるようにします。加速係数 (AF) と呼ばれる正確な乗数は、長い寿命の動作をシミュレートします。

AF は、耐用年数の適用条件に対する加速老化係数を表します。

HTOL ストレス テストを効果的に行うには、いくつかの変数を考慮する必要があります。

1. デジタルトグルファクター
2. アナログモジュールの操作
3. I/Oリングアクティビティ
4. モニターデザイン
5. 周囲温度（Ta）
6. 接合温度（Tj）
7. 電圧ストレス（Vstrs）
8. 加速係数（AF）
9. テスト期間 (t)
10. サンプルサイズ（SS）

複数の RAM、デジタル ロジック、アナログ電圧レギュレータ モジュール、および I/O リングを備えた仮想の簡略化された IC を使用して、上記の変数の詳細な説明と、それぞれの HTOL 設計上の考慮事項を以下に示します。

デジタル トグル ファクター (DTF) は、IC のデジタル部分のゲートの総数に対する、ストレス テスト中に状態が変化するトランジスタの数を表します。実際、DTF は 1 時間単位でトグルするトランジスタの割合です。時間単位はトグル周波数に関連し、通常は HTOL 設定によって 10～20 MHz の範囲に制限されます。

信頼性エンジニアは、測定単位ごとにできるだけ多くのトランジスタをトグルするように努めます。RAM (およびその他のメモリ タイプ) は通常、BIST機能を使用してアクティブ化されますが、ロジックは通常、 SCAN機能、LFSR、またはロジック BISTを使用してアクティブ化されます。

IC のデジタル部分の電力と自己発熱を評価し、デバイスの経年劣化を推定します。これら 2 つの尺度は、IC の他の要素の経年劣化と類似するように調整されます。これらの尺度を調整するための自由度は、電圧ストレスおよび/または HTOL プログラムがこれらのブロックを他の IC ブロックと比較してループする時間間隔です。

できるだけ多くの電子部品を 1 つのチップに統合するという最近の傾向は、システム オン チップ (SoC) として知られています。

この傾向により、チップのアナログ部分は (通常) 他の IC 要素に比べて高い電力を消費するため、信頼性エンジニアの作業が複雑になります。

この高電力により、ホットスポットや老化が加速する領域が発生する可能性があります。信頼性エンジニアは、チップ上の電力配分を理解し、IC のすべての要素で老化が同様になるように調整する必要があります。

この仮想SoCでは、アナログ モジュールには電圧レギュレータのみが含まれています。実際には、PMIC、発振器、チャージ ポンプなどの追加のアナログ モジュールが存在する可能性があります。アナログ要素に対して効率的なストレス テストを実行するには、信頼性エンジニアが IC 内の関連アナログ ブロックの最悪のシナリオを特定する必要があります。たとえば、電圧レギュレータの最悪のシナリオは、最大調整電圧と最大負荷電流である可能性があり、チャージ ポンプの場合は、最小電源電圧と最大負荷電流である可能性があります。

優れたエンジニアリング プラクティスでは、必要な電流を強制するために外部負荷 (外部 R、L、C) を使用します。このプラクティスにより、チップの異なる動作スキームやアナログ部品の動作トリミングによる負荷の違いを回避できます。

統計的手法は、使用される負荷の統計的許容差、変動、温度安定性をチェックし、HTOL 動作範囲での過大/不足のストレスを回避するために負荷の適切な信頼帯域を定義するために使用されます。アナログ部品の経年劣化の程度を調整するための自由度は、通常、デューティ サイクル、外部負荷値、および電圧ストレスです。

「外の世界」と IC 間のインターフェースは、入出力 (I/O) リングを介して行われます。このリングには、電源 I/O ポート、デジタル I/O ポート、アナログ I/O ポートが含まれます。I/O は (通常) IC パッケージを介して「外の世界」に接続され、各 I/O はJTAGポート、IC 電源ポートなどの独自のコマンド命令を実行します。信頼性エンジニアリングは、すべての I/O を他の IC 要素と同じ方法でエージングすることを目的としています。これは、境界スキャン操作を使用して実現できます。

前述のように、HTOL の主な目的は、高電圧および/または高温での動的ストレスによってサンプルを老化させることです。HTOL の動作中は、IC がアクティブで、トグルし、常に機能していることを確認する必要があります。

同時に、IC がどの時点で応答を停止するかを知る必要があります。これらのデータは、価格信頼性指数を計算し、FA を促進するために重要です。これは、HTOL マシンによって通信および記録される 1 つ以上の重要な IC パラメータ信号を介してデバイスを監視し、HTOL 実行時間全体にわたって IC の機能に関する継続的な表示を提供することで行われます。一般的に使用されるモニターの例には、BIST「完了」フラグ信号、SCAN 出力チェーン、またはアナログ モジュール出力が含まれます。

監視には 3 つの種類があります。

1. パターン マッチング: 実際の出力信号が予測信号と比較され、偏差があれば警告します。このタイプのモニターの主な欠点は、予測信号からのわずかな偏差に対して敏感であることです。HTOL 中、IC は仕様外になることもある温度や電圧で動作し、人工的な感度や、マッチングに失敗するが実際の故障ではない誤動作を引き起こす可能性があります。
2. アクティビティ: トグル回数をカウントし、結果が定義済みのしきい値よりも高い場合、モニターは OK を示します。このタイプのモニタリングの主な欠点は、予期しないノイズや信号が誤って解釈される可能性があることです。この問題は主に、トグル回数が少ないモニターの場合に発生します。
3. 定義済み範囲内のアクティビティ: トグルの数が定義済み制限内である場合や、電圧レギュレータの出力が定義済み範囲内である場合など、モニターが定義済み制限内で応答することを確認します。

JEDEC 規格によれば、環境チャンバーは、部品が装着され電源が入っていない状態で、指定された温度を ±5 °C の許容範囲内で維持できる必要があります。今日の環境チャンバーはより優れた機能を備えており、温度安定性を ±3 °C の範囲内で維持できます。

低電力 IC は、自己発熱の影響をあまり気にせずにストレスをかけることができます。しかし、技術のスケーリングと製造のばらつきにより、デバイスの単一生産ロット内での電力消費は最大 40% も変わることがあります。このばらつきと高電力 IC により、各 IC の個別の制御システムを容易にするために、高度な接触温度制御が必要になります。

動作電圧は、少なくともデバイスに指定された最大値である必要があります。場合によっては、電圧と温度から寿命を加速するために、より高い電圧が適用されます。

最大許容電圧ストレスを定義するには、次の方法を検討できます。

1. 破壊電圧の80%を強制します。
2. 破壊電圧より6シグマ低い電圧を強制します。
3. 過電圧を最大指定電圧よりも高く設定します。MIL および自動車アプリケーションでは、最大電圧の 140% の過電圧レベルが使用されることがあります。

信頼性エンジニアは、 FAB で指定されているように、 V_{ストレスが}関連テクノロジの最大定格電圧を超えていないことを確認する必要があります。

加速係数 (AF) は、加速ストレス レベルでの製品の寿命と使用ストレス レベルでの製品の寿命を関連付ける乗数です。

AF が 20 の場合、ストレス状態での 1 時間は、有用状態での 20 時間に相当することを意味します。

電圧加速係数は AFv で表されます。通常、ストレス電圧は最大電圧と同等かそれ以上です。電圧を高くすると加速がさらに高まり、デバイスの有効時間を延長したり、同等の寿命ポイントを達成したりするために使用できます。

AFv モデルにはいくつかあります。

1. E モデルまたは定常電界/電圧加速指数モデル。
2. 1/E モデル、または同等のアノードホール注入モデル。
3. Vモデルでは故障率は電圧に対して指数関数的になる
4. べき乗法則モデルにおけるアノード水素放出

AFtempは温度変化による加速係数であり、通常はアレニウスの式に基づいています。総加速係数はAFvとAFtempの積です。

信頼性テストの期間により、デバイスの適切な寿命要件が保証されます。

たとえば、活性化エネルギーが 0.7 eV、ストレス温度が 125 °C、使用温度が 55 °C の場合、加速係数 (アレニウスの式) は 78.6 です。つまり、1,000 時間のストレス時間は 9 年間の使用に相当します。信頼性エンジニアが認定テスト期間を決定します。業界のベストプラクティスでは、接合温度 125 °C で 1,000 時間が必要です。

新しい信頼性評価および認定システムの課題は、サンプル サイズを最適化するために、関連する故障メカニズムを特定することです。

サンプル プランは、製造業者のリスク、消費者のリスク、および予想される故障率から統計的に導き出されます。一般的に使用される 230 個のサンプルのうち不合格品がゼロのサンプル プランは、LTPD = 1 および 90% 信頼区間を想定すると、668 個のサンプルのうち 3 個の不合格品に相当します。

サンプルには、製造上のばらつきを表すために、少なくとも 3 つの連続しないロットからの代表サンプルを含める必要があります。すべてのテスト サンプルは、製造段階と同じ方法で製造、取り扱い、スクリーニング、および組み立てる必要があります。

サンプルは、ストレスがかかる前と、事前に定義されたチェックポイントでテストする必要があります。サンプルを室温でテストするだけでなく、最大定格温度と最小定格温度でもテストすることは、エンジニアリングの優れた実践です。すべての機能テストとパラメータ テストのデータ ログは、さらに分析するために照合する必要があります。

Tj = 125 °C と仮定すると、一般的に使用されるチェックポイントは 48、168、500、1,000 時間後になります。

異なる温度に対する異なるチェックポイントは、アレニウスの式を使用して計算できます。たとえば、活性化エネルギーが 0.7e V、T _jが 135 °C、T _useが 55 °C の場合、同等のチェックポイントは 29、102、303、606 時間になります。

サンプルを取り外した後、できるだけ早く電気テストを完了する必要があります。サンプルを取り外した後すぐにテストできない場合は、追加のストレス時間を適用する必要があります。JEDEC 規格では、サンプルを取り外してから 168 時間以内にテストする必要があります。

テストが推奨される時間枠を超える場合は、以下の表に従って追加のストレスを適用する必要があります。^[2]

メリット数は統計的サンプリング計画の結果です。

サンプリング プランは、プロセスの出力が要件を満たしていることを確認するための監査ツールである SENTENCE に入力されます。SENTENCE は、テストされたロットを単純に受け入れるか拒否するかを決定します。信頼性エンジニアは、定義済みの受け入れ品質限界、LTPD、メーカー リスク、および顧客リスクに基づいて、統計サンプリング プランを実行します。たとえば、230 個のサンプルのうち 0 個の拒否という一般的なサンプリング プランは、LTPD = 1 と仮定すると、668 個のサンプルのうち 3 個の拒否に相当します。

IC の経年劣化は、標準的な使用条件に依存します。以下の表は、一般的に使用されるさまざまな製品とその使用条件の参考情報です。

信頼性エンジニアは、適切なストレス持続時間を検証する役割を担っています。たとえば、活性化エネルギーが 0.7 eV、ストレス温度が 125 °C、使用温度が 55 °C の場合、557 時間の HTOL 実験で 5 年間の予想動作寿命が示されます。

自動車の使用条件の例^[1]

欧州電気通信の使用条件の定義例

US Telecomの使用条件の定義例

軍事利用条件の例

失敗回数 = r

デバイス数 = D

デバイスあたりのテスト時間 = H

摂氏 + 273 = T (ケルビンでの計算温度)

試験温度（HTRBまたはその他のバーンイン温度）=${\displaystyle T_{\text{test}}}$

使用温度（55℃または328Kに標準化）=${\displaystyle T_{\text{使用}}}$

活性化エネルギー（eV）=${\displaystyle E_{\text{a}}}$

${\displaystyle {\text{X}}^{2}(\alpha ,\nu )}$カイ2乗/2は、αとνにおける故障数の確率推定値である。

X^2 分布の信頼度レベル。信頼性の計算には α = 60% または 0.60 = α (アルファ) を使用します。

分布の自由度。信頼性計算にはν=2r + 2.0 = ν (nu) を使用します。${\displaystyle X^{2}}$

アレニウスの式による加速係数 =${\displaystyle A_{\text{f}}}$

ボルツマン定数（）＝${\displaystyle \hbar}$8.617 × 10 ⁻⁵  eV/K

デバイス時間 ( DH ) = D × H

等価デバイス時間（EDH）= D × H ×${\displaystyle A_{\text{f}}}$

1時間あたりの故障率 =${\displaystyle \lambda _{\text{時間}}}$

時間内の故障数 = 10億時間あたりの故障率 = FIT =${\displaystyle \lambda _{\text{FIT}}}$

平均故障時間 = MTTF

ここで、アルレニウスの式の加速係数は次のようになります。${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}}$

1時間あたりの故障率 =${\displaystyle \lambda _{\text{hour}}={\frac {X^{2}(\alpha ,\nu )}{2\times D\times H\times A_{\text{f}}}}={\frac {X^{2}(\alpha ,\nu )}{2\times EDH}}}$

時間内の故障数 = 10億時間あたりの故障率 = FIT =${\displaystyle \lambda _{\text{FIT}}=\lambda _{\text{時間}}\times 10^{9}}$

平均故障時間（時間） = ${\displaystyle MTTF_{\text{時間}}={\frac {1}{\lambda _{\text{時間}}}}}$

平均故障時間（年） = ´ ${\displaystyle MTTF_{\text{年}}={\frac {1}{(\lambda _{\text{時間}}\times 24\times 365)}}}$

湿度を含む加速係数、いわゆる高加速ストレステスト( HAST ) を計算する場合は、次のようになります。

アレニウスの式による加速係数は次のようになります。${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{test}}-{\text{HR}}_{\text{use}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}}$

ここで、ストレス テストの相対湿度 (パーセント) です。通常は 85% です。 ${\displaystyle {\text{HR}}_{\text{test}}}$

ここで、一般的な使用相対湿度（パーセント）です。通常、これはチップ表面で約 10～20% で測定されます。 ${\displaystyle {\text{HR}}_{\text{使用}}}$

ここで、 は故障メカニズムのスケール係数です。 値は 0.1 ～ 0.15 です。 ${\displaystyle \beta}$

湿度 ( HAST ) と電圧ストレスを含む加速係数を計算する場合は、次のようにします。

アレニウスの式による加速係数は次のようになります。${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{\zeta \times ({\text{V}}_{\text{test}}-{\text{V}}_{\text{use}})}\times e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{test}}-{\text{HR}}_{\text{use}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}}$

ここで、ストレス電圧（ボルト単位）です。通常は、VCCx1.4 ボルトです。例: 1.8x1.4=2.52 ボルト。 ${\displaystyle {\text{V}}_{\text{test}}}$

ここで、一般的な使用電圧または VCC (ボルト単位) です。通常、VCC は 1.8V です。設計によって異なります。 ${\displaystyle {\text{V}}_{\text{使用}}}$

ここで、は故障メカニズムのスケール係数です。これは 0 から 3.0 までの値です。通常、シリコン接合欠陥の場合は 0.5 です。 ${\displaystyle \zeta}$

• トランジスタの経年劣化
• アレニウス方程式
• ストレス移行
• 信頼性（半導体）
• 電子機器の故障モード
• バスタブ曲線

ウィキメディア・コモンズには、高温動作寿命に関連するメディアがあります。

• シリコンファーイースト
• ストレスベースの信頼性認定ストレス条件の有効性の比較
• 信頼性ホットワイヤー電子マガジン
• SEMATECH ハンドブック