引言

老化是一種能夠將產品早期故障剔除的無損篩選試驗技術。集成電路的老化過程實質上就是通過對其施加應力，加速其內部潛在缺陷暴露的過程。經過老化，可以使有缺陷的集成電路在上機使用前失效，從而保證了集成電路最終的使用可靠性。老化的作用主要有兩方面，一是剔除有缺陷的、可能發生早期失效的產品，保證產品的使用可靠性；二是評估和比較不同產品的質量和可靠性水平。

近年來，國家通過各種途徑大力扶持微處理器（CPU）產品的研發，已相繼研制出了具有獨立知識產權的CPU 產品。相對于先進的設計和制造技術，國產CPU 質量和可靠性評價技術研究相對滯后。目前國內CPU 老化試驗方案都是由研制單位自己制訂，不同廠家的老化方案間存在較大的差距。如額定工作頻率為33MHz 的CPU，有的單位將老化時鐘頻率定為1MHz，有的將老化時鐘頻率定為20MHz，這樣老化應力強度和老化效果完全沒有可比性，因此無法通過老化試驗進行CPU 產品質量和可靠性水平的評估和比較。作為用戶，希望通過質量和可靠性試驗，評估出更為理想的產品。因此，對CPU 進行等效老化試驗技術的研究，成為CPU 質量和可靠性評估急需解決的問題之一。基于這樣的技術需求，為了解決公正、科學地評估和比較不同CPU 的質量和可靠性水平，本文進行了通用CPU 等效老化試驗技術的研究。

CPU老化試驗技術動態

老化試驗原理

集成電路的老化過程，實際上是在強環境溫度應力下，通過對其施加電應力模擬其正常工作，使故障盡早出現。老化試驗的目的是保證產品的使用可靠性和評估產品的質量與可靠性水平。集成電路的老化試驗退化模型服從Arrhenius 方程，式（1）為Arrhenius 方程：

式中R（T）是溫度T（為絕對溫度K）時的反應速率，A 為一系數，E a 為對應的反應激活能，k為Boltzmann 常數。溫度T 越高，R（T）越大，退化越快，失效率越高，器件的平均無故障工作時間也越短。許多文獻中的數據表明，對于Si 材料集成電路，在工作過程中，芯片溫度每提高10C，器件的失效率約會增加一倍。因此，芯片溫度在老化過程中起著決定性的作用，老化試驗過程中的應力強弱可以歸結為芯片溫度的高低。

老化時，芯片溫度一般可以用下式描述：

其中，TJ表示芯片溫度，TA 是指環境溫度，P 為芯片工作功耗，θJA？是芯片到環境的熱阻。由于TA可以設置成相同的值，所以要確定老化時芯片溫度TJ的關鍵就在于確定功率P 與熱阻θJA？的乘積。

在老化試驗中，外界可以控制的應力只有環境溫度和電應力，以及被試器件的散熱條件。同樣的老化箱，其中空氣的流速都是相同的，器件的熱阻主要由芯片封裝結構、材料和工藝決定，屬于器件的本征特性。熱阻特性的好壞與芯片功耗一樣，由其設計和制造決定，熱阻越小，產品的可靠性越高。在進行質量和可靠性評價試驗時，對其本征的特性熱阻是必須進行考核的，這樣在考慮老化試驗方案時，重點應該放在老化功耗上。

隨著集成電路設計線寬的不斷縮小，由等比縮小效應引起的漏功耗不可避免地增大，為了提高可靠性，集成電路紛紛采用低功耗設計技術。同一類產品，由不同的公司設計生產，盡管功能完全一樣，其功耗卻相差很大，功耗低的產品，工作時的芯片溫度肯定低于功耗高的產品。如果在老化時僅僅考慮芯片溫度，使功耗低的產品與功耗高的產品芯片溫度一致，是不符合實際應用情況的，因而是不科學的，必須研究能夠表征等效老化應力的物理量，以評估老化試驗的等效性。

CPU 老化技術難點和存在問題

從本質上來說，CPU 老化與傳統的集成電路老化的原理和作用是相同的。一般對于普通的組合邏輯電路，可以選取敏化通路法老化，對于單一的時序邏輯電路則可以采用狀態變遷檢查法老化。但對于CPU 這種功能非常復雜，集成的邏輯和存儲功能模塊繁多的芯片，簡單的老化方法難以達到全面老化的目的。

迄今為止，國內CPU 的老化仍然參照MIL-STD-883“微電子器件試驗方法”中方法1005A，該方法規定了老化環境溫度及盡可能模擬實際應用的電激勵等試驗條件，但沒有考慮到工藝變化對VLSI芯片特性的影響。隨著CPU 的工作頻率不斷上升，芯片漏功耗急劇增加，老化時芯片自身功耗發熱對芯片溫度的影響成為必須考慮的因素。如何根據不同的工藝條件來確定老化頻率是CPU 老化試驗的一個關鍵問題。

老化向量集的確定是CPU 老化試驗中遇到的另一個挑戰。對CPU 老化而言，老化向量集和老化頻率一樣是十分重要的。不同的老化向量集，對CPU 內部單元的覆蓋率千差萬別，老化效果相差非常大。不同電路之間，只有其內部單元的覆蓋率水平相當時，才能獲得同等的老化效果。

只有在同樣的試驗原則下進行的評價，才具有實際可比的內涵。目前對國產CPU 的老化，老化線路、老化頻率都由生產方自定，對老化方法沒有評價的準則，老化結果可比性差。同時也很難保證到達用戶手中CPU 的使用可靠性。因此建立一個等效的老化試驗規范，是CPU 質量與可靠性評價技術的關鍵，也是業界非常關心的問題。

等效老化信號的確定

要建立一個具有可比性的CPU 等效老化試驗規范，其實質就是將CPU 老化試驗方案與等效老化信號確定方法有機地結合起來。本節主要闡述如何確定集成電路的等效老化信號，在后面的章節會專門討論CPU 老化試驗方案。

老化應力的表征

從老化原理可知，芯片溫度在老化過程中起著決定性的作用。如果產品的功耗相同，老化時外加的溫度和電應力都相同，根據（2）式可知，老化芯片溫度能夠表征老化應力強度。但如果考慮到芯片自身功耗的差異，僅用芯片溫度就無法表征老化應力強度。產品老化時，功耗大的產品所加的電應力肯定大于功耗小的產品，當然功耗大的產品芯片溫度也會高于功耗小的產品。在評估老化應力強度時，只比較外加電應力的絕對大小是不夠的，必須將產品自身功耗的差異考慮進去，找到一個包含自身功耗差異的老化應力特征參數以評估老化應力的等效性。只有這一特征參數相等，才能使不同產品的老化效果相同。

歸一化老化電流

集成電路的工作功耗與信號的頻率有關，在晶體管翻轉過程中，其功耗由三部分組成：動態功耗、漏電功耗（靜態功耗）和短路（直流通路）功耗。其相關關系可用下式表示：

其中第一項是CV2f是動態功耗，C 是一個分布電容，是由設計和工藝決定的，當電源電壓一定，動態功耗與信號頻率呈線性關系。（3）式中第二項VI peaktsf 是短路功耗，I peak是MOS 管導通時的峰值電流，ts 為PMOS 和NMOS 同時導通的時間。漏電功耗相對于動態功耗和短路功耗來說比較小，（3）式沒有考慮。由于Ipeak和ts參數在老化的過程中難以提取，本文只針對動態功耗CV2f進行研究。

如果老化時所加信號頻率等于其額定工作頻率，老化時由電應力引起的芯片溫升與實際工作情況相似。但由于動態老化是一個長期的加電試驗過程，而現代集成電路的工作頻率越來越高，老化用的信號源根本無法達到其額定工作頻率。現代最先進的老化設備提供的老化信號最高頻率僅為20~30MHz，而CPU 動輒數百到數千MHz，實際上CPU 的老化頻率遠遠低于其額定工作頻率。

由于環境溫度可以人為設定，器件熱阻又為其本征特性，這樣由公式（2）決定的老化芯片溫度，只有在改變老化功耗時才發生變化。因此，老化的效果就由老化功率的高低決定。

由（3）式動態功耗CV2f可以推得老化功耗電流的表達式：

由老化原理可知，老化功耗電流越接近實際工作時的電流，老化功率和實際應用功率就越接近，老化就越能模擬實際應用狀態，老化應力就越強，其老化效果也越好。但由于老化設備在工程中不可能達到實際應用的水平，一般老化電流都低于正常工作電流。不同的電路，只要老化電流與額定工作電流的比例系數相等，從邏輯上可以推出老化應力水平相同。這里將老化電流與額定工作電流的比例系數稱之為“歸一化老化電流”，用α表示：

其中Iccb為老化電流，Icco為額定工作電流，“歸一化老化電流”α被定義為表征老化應力水平的特征參數。

等效老化信號的確定

對于不同的電路，由于其設計和制造工藝不同，其額定工作電流和分布電容都不一樣，由（4）式可知，電流Icc隨信號頻率線性變化的斜率不同。因此，不同產品在相同的信號頻率下老化，其“歸一化老化電流”α會有較大的區別，老化應力水平并不一致。

針對兩種功能相同，工藝和設計都不同的產品，老化的外圍線路圖是相同的。令兩種產品的“歸一化老化電流”為α，它們的額定工作電流分別為I cco1和I cco2，電流隨頻率變化的斜率分別為K1=C1V1、K2=C2V2，就可以分別確定出動態老化信號頻率：

（6），（7）式中，α是根據可靠性要求和工程情況綜合確定的，額定工作電流I cco可以測試或從產品手冊中查出，電流隨頻率變化的斜率k 可以通過試驗的方法求出，等效老化的信號頻率也就隨之確定。

通用CPU 等效老化方案設計

通用CPU 老化線路設計

老化技術從靜態老化、動態老化發展到功能性老化，功能性老化被認為是探測器件缺陷的一種更好的方法。然而進行功能性老化需要將測試設備與老化設備有機地結合起來，設備非常昂貴，目前國內還沒有條件進行功能性老化。基于國內的現狀，文中不涉及CPU 功能性老化及老化向量集的研究，重點在于研究等效的CPU 動態老化試驗方法。

參照國內外一些老化方案，結合對CPU486 體系結構的研究，進行通用CPU486 老化試驗方案設計。根據設計公司對通用CPU486 模擬仿真的結果可知，給CPU486 加復位和時鐘信號，若所給復位信號和時鐘信號能使CPU 正常復位，CPU 內部翻轉的晶體管數可達60%～70%。僅給時鐘信號內部翻轉的晶體管數目是很少的，這一點從老化電流上就可反映出來，兩種情況下其老化電流相差非常大，見圖1。在無法進行功能性老化的情況下，采用時鐘信號和復位信號進行CPU486 動態老化，可使老化覆蓋率達到60~70%，不失為一種有效的工程方法。以CPU486 為例，本課題采用加時鐘和復位信號的方式進行動態老化。老化時，在時鐘端與復位端加上信號，其它輸入端通過一個4.7k？的保護電阻接地或電源，使其有一個固定的狀態，輸出開路。老化狀態可通過地址狀態輸出端ADS#進行觀察，若ADS#端有正常的輸出信號，表明其老化狀態正常。

通用CPU 等效老化信號確定

通用CPU 老化時要同時加上時鐘和復位信號，為了使得不同產品在相同的“歸一化老化電流”下進行老化，必須確定時鐘和復位信號頻率對CPU 老化電流的影響。

本文設計了一系列實驗，實驗采用了四種不同公司、不同設計、不同工藝，相同封裝的幾組樣品，有關試驗樣品的具體信息見表1，其中XXX-33 為國內某公司產品。

采用前面確定的通用CPU 動態老化線路，對表1 列出的四種產品進行了實驗。圖1 是IntelDX2-66老化電源電流Icc隨Reset、CLK 信號頻率變化曲線，其他幾種產品的實驗結果與圖1 類似。

從圖1 可以看出不加Reset 信號時老化電源電流遠遠小于Reset 頻率不為0 的情況；Reset 頻率在500Hz、1kHz 直到10kHz，IntelDX2-66CPU486 老化電源電流Icc值隨CLK 頻率變化趨勢幾乎可以認為是相重合的直線，說明Reset 頻率變化對老化電流的影響不大，而老化電流隨CLK 的頻率呈線性變化，CLK 頻率對老化電流的影響十分顯著。

圖2 是在Reset 頻率為10kHz時，四種不同CPU486 老化電流隨CLK 頻率變化的曲線。從圖2 可以方便地得出各款CPU486 的老化電流Icc隨CLK 頻率變化的斜率。同時從各自的數據手冊上可以查出在額定頻率下的工作電流值。表2 給出了四種CPU486 老化電流隨CLK 頻率變化的斜率k 值（為實驗值）及額定頻率下的工作電流值cc I 。

設歸一化老化電流為α，根據（6）式可分別算出四種CPU486 等效老化的時鐘信號頻率，具體的計算結果見表3。“歸一化老化電流”α的值，主要根據產品的額定功率、熱阻、最高結溫及老化設備能力等因素綜合確定。α的值取范圍為0~1，但α具體取什么值，主要受老化設備能力的限制，老化信號源頻率高，可以將“歸一化老化電流”α的值取得大一些，但只要所有的同類產品α值相同，老化的應力水平相當。但對于功耗特別大的產品，在老化時一定要注意α的取值，使老化時芯片溫度小于最高結溫的限制。［page］

結論

通過對通用微處理器等效老化試驗方法的研究，可以得出如下結論：1）等效老化試驗是評估和比較不同工藝、不同設計的功能全兼容集成電路質量和可靠性水平的重要手段；2）“歸一化老化電流”α是能夠表征等效老化應力強度的特征參數；3）通用CPU 可以采用本文給出的等效老化試驗方案實現質量和可靠性水平的有效評估和比較。