典型存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)方法研究與實(shí)現(xiàn)

航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 羅俊杰

存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)對(duì)提高存儲(chǔ)器的使用可靠性有著重要的作用。本文以SRAM器件為例，詳細(xì)闡述了存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)方法的研究方案，并實(shí)現(xiàn)了SRAM器件的動(dòng)態(tài)老煉。該方法具有通用性，也適用于其它類型存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)。

存儲(chǔ)器是一種常用的數(shù)字集成電路，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，凡是需要記錄數(shù)據(jù)或各種信號(hào)的場(chǎng)合都離不開它，尤其在計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器是不可缺少的一個(gè)重要組成部分。在軍事、航空航天等領(lǐng)域，存儲(chǔ)器也有著廣泛的應(yīng)用，軍事、航空航天等領(lǐng)域?qū)ζ滟|(zhì)量保證的可靠性提出了更高的要求，然而電路在大批量生產(chǎn)制造的過程中由于人的因素、制造設(shè)備、生產(chǎn)材料、制造工藝、生產(chǎn)環(huán)境等不確定的因素，可能會(huì)造成生產(chǎn)完成的部分集成電路內(nèi)部存在缺陷。

可靠性篩選是剔除器件早期失效的重要手段，能夠在器件使用前對(duì)器件進(jìn)行有效的篩選，而老煉是可靠性篩選中的重要一環(huán)，是剔除早期失效、提高電路可靠性的有效手段。因此，研究存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)方法，通過動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)?zāi)苡行蕹缙谑Мa(chǎn)品，進(jìn)而提高存儲(chǔ)器的使用可靠性和穩(wěn)定性。

1 元器件老煉試驗(yàn)簡(jiǎn)介

元器件老煉試驗(yàn)是元器件篩選試驗(yàn)項(xiàng)目之一，它是在規(guī)定的時(shí)間通過給元器件施加相應(yīng)的溫度應(yīng)力和電應(yīng)力，使元器件內(nèi)部的潛在缺陷得以快速暴露，這樣能夠剔除元器件的早期失效產(chǎn)品。元器件老煉試驗(yàn)是非破壞性試驗(yàn)，其本質(zhì)上是通過熱應(yīng)力和電應(yīng)力加速元器件內(nèi)部原子和分子的物理和化學(xué)發(fā)應(yīng)，從而使得有潛在缺陷的元器件發(fā)生如擊穿、斷裂、氧化和電遷移等失效。按照“浴盆曲線”模型，元器件的老煉試驗(yàn)主要是在元器件壽命周期早期階段剔除早期失效元器件，使合格器件迅速進(jìn)入失效率恒定且較低的偶然失效期，在偶然失效期元器件能夠保持較低的失效率，保證了元器件最終的使用可靠性。

老練試驗(yàn)又包括以下兩種試驗(yàn)：

（1）靜態(tài)老煉

靜態(tài)老煉主要是在規(guī)定的溫度應(yīng)力下給元器件施加一個(gè)恒定的電壓（通常是額定電源電壓），使雜質(zhì)能夠快速的遷移到器件表面。元器件的輸入管腳和連接到電源端，且需要并聯(lián)的接入電阻，這樣元器件內(nèi)部晶體管為反偏狀態(tài)，元器件處于靜態(tài)的一個(gè)工作狀態(tài)。

（2）動(dòng)態(tài)老煉

動(dòng)態(tài)老煉能夠全面的考察元器件內(nèi)部的電介質(zhì)、導(dǎo)電通路等電氣特性，動(dòng)態(tài)老煉比靜態(tài)老練更為有效，也更為通用，對(duì)于電路的內(nèi)部潛在缺陷能夠更為有效的激發(fā)。動(dòng)態(tài)老煉是給電路施加規(guī)定的恒定溫度和額定電源電壓，在輸入管腳加入特定的向量，使電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，多數(shù)應(yīng)用于中、大規(guī)模集成電路。

2 典型存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)方法研究

傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器老煉，主要是反復(fù)的向存儲(chǔ)器進(jìn)行基本的讀寫操作的過程，這種方式能夠起到加速存儲(chǔ)器工作的作用，但是傳統(tǒng)的老煉方式，激勵(lì)信號(hào)單一，不能有效激發(fā)存儲(chǔ)器的潛在缺陷，另外缺乏對(duì)存儲(chǔ)器工作過程中的狀態(tài)檢測(cè)，不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和顯示存儲(chǔ)器在工作時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤信息，更加無(wú)法進(jìn)一步分析存儲(chǔ)器錯(cuò)誤信息對(duì)應(yīng)的內(nèi)在原因。因此，我們對(duì)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老練進(jìn)行了研究和擴(kuò)展。

本次存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)方法研究選取一款國(guó)產(chǎn)SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）器件做為試驗(yàn)樣品，該款器件具有68個(gè)引腳，QFP封裝，工作電源電壓為3.3V。本次研究方案從存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉方法、老煉設(shè)備選擇、老煉板設(shè)計(jì)、老煉實(shí)施方面完成了對(duì)該國(guó)產(chǎn)SRAM的動(dòng)態(tài)老煉。

2.1 存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉方法

存儲(chǔ)器的錯(cuò)誤形式是多種多樣的，有的錯(cuò)誤是單一的存儲(chǔ)單元的失效，比如鎖定為0，鎖定為1等，這種錯(cuò)誤形式通過對(duì)存儲(chǔ)單元的讀寫操作就可以測(cè)試發(fā)現(xiàn)；有的錯(cuò)誤形式是相鄰存儲(chǔ)單元之間的相互影響，有的錯(cuò)誤甚至是不穩(wěn)定的，這些錯(cuò)誤形式依靠簡(jiǎn)單的讀寫操作是無(wú)法被發(fā)現(xiàn)的，需要采用各種復(fù)雜的存儲(chǔ)器測(cè)試算法才能夠檢測(cè)到。目前，常用的存儲(chǔ)器測(cè)試算法有全“0”、全“1”、棋盤法、列條圖形法、行條圖形法、奇偶性圖形、固定對(duì)角線、地址互補(bǔ)法、齊步法、跳步法、乒乓法、跳步寫恢復(fù)法、移動(dòng)對(duì)角線、連續(xù)分區(qū)法等。每一種算法所針對(duì)的存儲(chǔ)器單元的一些特定失效形式。各種不同的存儲(chǔ)器測(cè)試算法，本質(zhì)上都是要測(cè)試各個(gè)實(shí)際的存儲(chǔ)器單元物理地址自身的讀寫是否正常、各個(gè)物理地址之間是否存在錯(cuò)誤的關(guān)聯(lián)關(guān)系、以及存儲(chǔ)器的地址解碼器工作是否正常。

我們要研究的存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)老煉，在規(guī)定的溫度、電壓和時(shí)間條件下，在輸入管腳施加最高工作頻率下的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)采用多種算法相結(jié)合，使存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)正常的讀寫功能，有效激發(fā)存儲(chǔ)器存在的潛在失效和軟失效。另外我們采用了在線功能檢測(cè)的方式，執(zhí)行各種測(cè)試算法的過程中可以對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可以很好的發(fā)現(xiàn)并記錄存儲(chǔ)器在工作過程中的各種功能故障。通過對(duì)存儲(chǔ)器測(cè)試算法的分析，我們選定了如下三種算法作為老煉的激勵(lì)信號(hào)。

（1）全1和全0算法

全1和全0算法是將存儲(chǔ)器內(nèi)部的全部存儲(chǔ)單元寫1和讀1，然后再重新寫0和讀0。

（2）棋盤算法

棋盤算法是將寫入每一個(gè)單元的值與其相鄰的各個(gè)單元的值都不同，以4X4存儲(chǔ)單元為例，第一行寫入“0101”，第二行寫入“1010”，第三行寫入“0101”，第四行寫入“1010”，然后讀出所有值；再“0”和“1”異位重寫入后讀出所有值。

（3）齊步算法

齊步算法主要是對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)部的存儲(chǔ)單元的依次進(jìn)行驗(yàn)證，可以按照地址單元順序開始，對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行取反和驗(yàn)證，一直到最后一個(gè)地址的存儲(chǔ)單元驗(yàn)證結(jié)束。

以上三種算法目前來(lái)說(shuō)比較常用，一方面作為激勵(lì)信號(hào)能夠使存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元狀態(tài)實(shí)現(xiàn)快速翻轉(zhuǎn)，有利于激發(fā)存儲(chǔ)器的潛在缺陷；另一方面使用這三種算法進(jìn)行老煉在線功能檢測(cè)，能夠檢測(cè)出存儲(chǔ)器存在的多種功能故障，比如存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器或讀/寫邏輯方面的固定型故障、橋接故障和轉(zhuǎn)換故障等，

這樣能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)在老煉過程中存儲(chǔ)器出現(xiàn)的問題，并且對(duì)問題的分析判斷提供了依據(jù)和手段，達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)老煉的效果。

2.2 老煉設(shè)備選擇

老煉試驗(yàn)設(shè)備的選擇要滿足該款SRAM存儲(chǔ)器的老煉測(cè)試要求，主要包括：信號(hào)頻率要足夠高、數(shù)字通道數(shù)要200通道以上、具有一定的向量深度和電源功率足夠大等。因此我們采用的是集成電路高溫老煉系統(tǒng)，它主要由主控計(jì)算機(jī)、溫箱區(qū)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，主要性能指標(biāo)如下：

（1）單板具有256路獨(dú)立的I/O數(shù)字通道，每路I/O數(shù)字通道工作模式都可以通過軟件來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的配置，可作為驅(qū)動(dòng)管腳和比較管腳，信號(hào)頻率：50.0MHz（MAX）。

（2）每塊板上提供4路二級(jí)電源配置，電壓范圍：±0.5V～±6.0V，電流范圍：0～15A。

（3）溫箱的溫度控制范圍：-20℃～150℃。

（4）編程向量支持圖形輸入和文本格式導(dǎo)入，且具有圖形發(fā)生單元，X/Y/CA地址24bits/24bits/24bits。

2.3 老煉板設(shè)計(jì)

老煉板設(shè)計(jì)尺寸大小為550cm×350cm，為方便老煉插板定位，在老煉板的頂部設(shè)計(jì)了一級(jí)定位銷和二級(jí)定位銷。老煉板的設(shè)計(jì)如圖1所示。

由于存儲(chǔ)器的信號(hào)傳輸速率較高，而且老煉板的布線又較長(zhǎng)而且集中，因此信號(hào)在傳輸過程中出現(xiàn)的信號(hào)完整性問題不容忽視。信號(hào)完整性主是指信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^程中，信號(hào)波形能否保持不變沒有發(fā)生畸變，也就是信號(hào)的幅度、持續(xù)的時(shí)間是否能滿足時(shí)序的要求。高速信號(hào)在老煉板上傳輸?shù)倪^程中，如果忽視了信號(hào)完整性的相關(guān)問題，那么老煉板上傳輸?shù)男盘?hào)就容易產(chǎn)生反射、串?dāng)_和耦合等問題，造成傳輸信號(hào)的畸變，導(dǎo)致存儲(chǔ)器讀寫功能失效。那么在老煉板的設(shè)計(jì)上主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

圖1 老化板外形圖

（1）信號(hào)層上面或下面增加GND平面層作為回流路徑，能有效減少信號(hào)反射。

（2）老煉板采用電源接口與數(shù)字老煉信號(hào)接口分開的方式，可以有效避免了高頻數(shù)字信號(hào)與電源線之間的干擾。

圖2 老化板PCB圖

圖3 老煉板信號(hào)仿真圖

圖4 老煉板原理圖

（3）減少傳輸路徑上阻抗的不連續(xù)如傳輸系統(tǒng)中傳輸路徑的拐彎、PCB板上的過孔、封裝等，通過阻抗匹配減少反射。

（4）減少地層和信號(hào)層之間電介質(zhì)的厚度從而增加傳輸路徑的抗擾性；

（5）減少平行走線的長(zhǎng)度，PCB的相鄰信號(hào)層采用互相垂直的走線方式來(lái)減少平行走線的長(zhǎng)度。

按照以上要求對(duì)老煉板進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作，老煉板采用高頻高溫基板，設(shè)計(jì)層數(shù)8層，從上到下是TOP-GND-SIG-GNDPWR-PWR-GND-BOT，其中TOP、SIG和BOT是信號(hào)層，PWR是電源層，GND是地層。老煉板PCB圖如圖2所示。

采用ANSOFT SIWAVE仿真軟件對(duì)老化板加信號(hào)仿真圖如圖3所示。

2.4 老煉實(shí)施

老煉試驗(yàn)的條件：

老煉試驗(yàn)主要是為了早期失效的器件。這些器件是在生產(chǎn)制造的過程中或是材料有缺陷，或者由于制造工藝控制不當(dāng)而造成的缺陷，通過電應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用這些缺陷會(huì)造成器件的失效。所以，老煉時(shí)對(duì)器件施加應(yīng)力一般會(huì)采用最大額定工作條件或者更高，通過提高環(huán)境溫度，施加相應(yīng)的電應(yīng)力，使器件處于全應(yīng)力的狀態(tài)，保持一定的時(shí)間，這樣能夠加快激發(fā)器件內(nèi)部的潛在缺陷，而且不會(huì)產(chǎn)生新的失效模式。老煉試驗(yàn)條件主要從溫度應(yīng)力、電應(yīng)力和時(shí)間三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)定。查閱器件手冊(cè)資料可知，該SRAM器件的額定工作溫度為125℃，工作電壓范圍為3V～3.6V，質(zhì)量等級(jí)為國(guó)軍標(biāo)中的B級(jí)。根據(jù)GJB548B-2005老煉試驗(yàn)條件的規(guī)定，該SRAM器件老煉環(huán)境溫度為125℃，老煉時(shí)間為160h，工作電壓為3.3V。

老煉試驗(yàn)原理：

老煉設(shè)備單板具有256數(shù)字通道和4組電源，根據(jù)器件的封裝和老煉板的面積，單板上放置了24個(gè)SRAM老煉測(cè)試座，每6個(gè)老煉測(cè)試座共用一組電源和數(shù)字通道。動(dòng)態(tài)老煉時(shí)，SRAM器件電源和地管腳接上電源和地，地址、數(shù)據(jù)和控制管腳接上數(shù)字通道，原理圖如圖4所示。

動(dòng)態(tài)老煉過程中，在輸入管腳上施加激勵(lì)信號(hào)，查閱該SRAM器件手冊(cè)可知該器件最高工作頻率為50Mhz，對(duì)該SRAM器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)老煉采用器件最高工作頻率50Mhz，這樣存儲(chǔ)器在老煉中電應(yīng)力引起的溫度升高能夠很充分，通過電應(yīng)力就可以最大化的激發(fā)存儲(chǔ)器的內(nèi)部缺陷。激勵(lì)信號(hào)由測(cè)試圖形發(fā)生單元可以產(chǎn)生全“0”/全“1”算法、棋盤算法和齊步算法施加給SRAM器件輸入管腳，對(duì)存儲(chǔ)器的功能進(jìn)行驗(yàn)證。激勵(lì)信號(hào)可以同時(shí)給所有器件進(jìn)行寫操作，但讀操作的時(shí)候由于每6個(gè)器件使用相同的數(shù)字通道，因此每次讀操作只能讀出4個(gè)器件的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，通過切換芯片選擇信號(hào)CE可以分時(shí)讀出所有器件的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出與期望數(shù)據(jù)一致時(shí)，存儲(chǔ)器的功能正常，當(dāng)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出與期望數(shù)據(jù)不一致時(shí)，錯(cuò)誤信息出現(xiàn)，通過人機(jī)交互界面可以實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來(lái)。

老煉試驗(yàn)步驟：

根據(jù)GJB548B-2005老煉試驗(yàn)方法的規(guī)定，對(duì)該SRAM器件的老煉主要按以下三個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）老煉前測(cè)試：在施加老煉試驗(yàn)條件前對(duì)SRAM器件進(jìn)行老煉前測(cè)試，測(cè)試包括全部25℃時(shí)的功能測(cè)試和參數(shù)測(cè)試，保證老煉前SRAM器件性能合格。

（2）老煉：把SRAM器件裝上老煉板并插入老練試驗(yàn)箱中，施加規(guī)定的老煉條件（溫度125℃和工作電壓3.3V）并調(diào)試穩(wěn)定，按照規(guī)定的老煉時(shí)間（160 h）進(jìn)行老煉。

（3）老煉后測(cè)試：老煉完成后，在規(guī)定的96h內(nèi)對(duì)SRAM器件進(jìn)行包括全部25℃時(shí)的功能測(cè)試和參數(shù)測(cè)試，驗(yàn)證SRAM器件性能是否合格。

3 結(jié)語(yǔ)

可靠性篩選試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)老煉是一種行之有效的方法，能快速激發(fā)器件內(nèi)部潛在缺陷，剔除早起失效產(chǎn)品。本文基于提高存儲(chǔ)器的使用可靠性開展了對(duì)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)方法的研究，并以SRAM器件為例，從存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)老煉方法、老煉設(shè)備選擇、老煉板設(shè)計(jì)、老煉實(shí)施方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)該SRAM的動(dòng)態(tài)老煉，

該方法具有一定的適用性，對(duì)開展其它類型存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)具有指導(dǎo)作用。