典型存儲器動態老煉試驗方法研究與實現

航天科工防御技術研究試驗中心 羅俊杰

存儲器動態老煉試驗對提高存儲器的使用可靠性有著重要的作用。本文以SRAM器件為例，詳細闡述了存儲器動態老煉試驗方法的研究方案，并實現了SRAM器件的動態老煉。該方法具有通用性，也適用于其它類型存儲器的動態老煉試驗。

存儲器是一種常用的數字集成電路，其應用領域極為廣泛，凡是需要記錄數據或各種信號的場合都離不開它，尤其在計算機中，存儲器是不可缺少的一個重要組成部分。在軍事、航空航天等領域，存儲器也有著廣泛的應用，軍事、航空航天等領域對其質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制造的過程中由于人的因素、制造設備、生產材料、制造工藝、生產環境等不確定的因素，可能會造成生產完成的部分集成電路內部存在缺陷。

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器件進行有效的篩選，而老煉是可靠性篩選中的重要一環，是剔除早期失效、提高電路可靠性的有效手段。因此，研究存儲器動態老煉試驗方法，通過動態老煉試驗能有效剔除早期失效產品，進而提高存儲器的使用可靠性和穩定性。

1 元器件老煉試驗簡介

元器件老煉試驗是元器件篩選試驗項目之一，它是在規定的時間通過給元器件施加相應的溫度應力和電應力，使元器件內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品。元器件老煉試驗是非破壞性試驗，其本質上是通過熱應力和電應力加速元器件內部原子和分子的物理和化學發應，從而使得有潛在缺陷的元器件發生如擊穿、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。

老練試驗又包括以下兩種試驗：

（1）靜態老煉

靜態老煉主要是在規定的溫度應力下給元器件施加一個恒定的電壓（通常是額定電源電壓），使雜質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，且需要并聯的接入電阻，這樣元器件內部晶體管為反偏狀態，元器件處于靜態的一個工作狀態。

（2）動態老煉

動態老煉能夠全面的考察元器件內部的電介質、導電通路等電氣特性，動態老煉比靜態老練更為有效，也更為通用，對于電路的內部潛在缺陷能夠更為有效的激發。動態老煉是給電路施加規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，使電路內部節點翻轉，多數應用于中、大規模集成電路。

2 典型存儲器動態老煉試驗方法研究

傳統的存儲器老煉，主要是反復的向存儲器進行基本的讀寫操作的過程，這種方式能夠起到加速存儲器工作的作用，但是傳統的老煉方式，激勵信號單一，不能有效激發存儲器的潛在缺陷，另外缺乏對存儲器工作過程中的狀態檢測，不能及時的發現和顯示存儲器在工作時出現的錯誤信息，更加無法進一步分析存儲器錯誤信息對應的內在原因。因此，我們對存儲器動態老練進行了研究和擴展。

本次存儲器動態老煉試驗方法研究選取一款國產SRAM（靜態隨機存儲器）器件做為試驗樣品，該款器件具有68個引腳，QFP封裝，工作電源電壓為3.3V。本次研究方案從存儲器動態老煉方法、老煉設備選擇、老煉板設計、老煉實施方面完成了對該國產SRAM的動態老煉。

2.1 存儲器動態老煉方法

存儲器的錯誤形式是多種多樣的，有的錯誤是單一的存儲單元的失效，比如鎖定為0，鎖定為1等，這種錯誤形式通過對存儲單元的讀寫操作就可以測試發現；有的錯誤形式是相鄰存儲單元之間的相互影響，有的錯誤甚至是不穩定的，這些錯誤形式依靠簡單的讀寫操作是無法被發現的，需要采用各種復雜的存儲器測試算法才能夠檢測到。目前，常用的存儲器測試算法有全“0”、全“1”、棋盤法、列條圖形法、行條圖形法、奇偶性圖形、固定對角線、地址互補法、齊步法、跳步法、乒乓法、跳步寫恢復法、移動對角線、連續分區法等。每一種算法所針對的存儲器單元的一些特定失效形式。各種不同的存儲器測試算法，本質上都是要測試各個實際的存儲器單元物理地址自身的讀寫是否正常、各個物理地址之間是否存在錯誤的關聯關系、以及存儲器的地址解碼器工作是否正常。

我們要研究的存儲器的動態老煉，在規定的溫度、電壓和時間條件下，在輸入管腳施加最高工作頻率下的激勵信號，激勵信號采用多種算法相結合，使存儲器實現正常的讀寫功能，有效激發存儲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的方式，執行各種測試算法的過程中可以對出現的錯誤及時發現，可以很好的發現并記錄存儲器在工作過程中的各種功能故障。通過對存儲器測試算法的分析，我們選定了如下三種算法作為老煉的激勵信號。

（1）全1和全0算法

全1和全0算法是將存儲器內部的全部存儲單元寫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單元的值與其相鄰的各個單元的值都不同，以4X4存儲單元為例，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

齊步算法主要是對存儲器內部的存儲單元的依次進行驗證，可以按照地址單元順序開始，對每個存儲單元進行取反和驗證，一直到最后一個地址的存儲單元驗證結束。

以上三種算法目前來說比較常用，一方面作為激勵信號能夠使存儲器的存儲單元狀態實現快速翻轉，有利于激發存儲器的潛在缺陷；另一方面使用這三種算法進行老煉在線功能檢測，能夠檢測出存儲器存在的多種功能故障，比如存儲器數據寄存器或讀/寫邏輯方面的固定型故障、橋接故障和轉換故障等，

這樣能夠及時的發現在老煉過程中存儲器出現的問題，并且對問題的分析判斷提供了依據和手段，達到良好的動態老煉的效果。

2.2 老煉設備選擇

老煉試驗設備的選擇要滿足該款SRAM存儲器的老煉測試要求，主要包括：信號頻率要足夠高、數字通道數要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，它主要由主控計算機、溫箱區、電源系統、控制系統和驅動系統組成，主要性能指標如下：

（1）單板具有256路獨立的I/O數字通道，每路I/O數字通道工作模式都可以通過軟件來進行相應的配置，可作為驅動管腳和比較管腳，信號頻率：50.0MHz（MAX）。

（2）每塊板上提供4路二級電源配置，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入，且具有圖形發生單元，X/Y/CA地址24bits/24bits/24bits。

2.3 老煉板設計

老煉板設計尺寸大小為550cm×350cm，為方便老煉插板定位，在老煉板的頂部設計了一級定位銷和二級定位銷。老煉板的設計如圖1所示。

由于存儲器的信號傳輸速率較高，而且老煉板的布線又較長而且集中，因此信號在傳輸過程中出現的信號完整性問題不容忽視。信號完整性主是指信號在傳輸線中傳輸的過程中，信號波形能否保持不變沒有發生畸變，也就是信號的幅度、持續的時間是否能滿足時序的要求。高速信號在老煉板上傳輸的過程中，如果忽視了信號完整性的相關問題，那么老煉板上傳輸的信號就容易產生反射、串擾和耦合等問題，造成傳輸信號的畸變，導致存儲器讀寫功能失效。那么在老煉板的設計上主要從以下幾個方面進行考慮：

圖1 老化板外形圖

（1）信號層上面或下面增加GND平面層作為回流路徑，能有效減少信號反射。

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

圖2 老化板PCB圖

圖3 老煉板信號仿真圖

圖4 老煉板原理圖

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

（4）減少地層和信號層之間電介質的厚度從而增加傳輸路徑的抗擾性；

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

按照以上要求對老煉板進行了設計制作，老煉板采用高頻高溫基板，設計層數8層，從上到下是TOP-GND-SIG-GNDPWR-PWR-GND-BOT，其中TOP、SIG和BOT是信號層，PWR是電源層，GND是地層。老煉板PCB圖如圖2所示。

采用ANSOFT SIWAVE仿真軟件對老化板加信號仿真圖如圖3所示。

2.4 老煉實施

老煉試驗的條件：

老煉試驗主要是為了早期失效的器件。這些器件是在生產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而造成的缺陷，通過電應力和熱應力的作用這些缺陷會造成器件的失效。所以，老煉時對器件施加應力一般會采用最大額定工作條件或者更高，通過提高環境溫度，施加相應的電應力，使器件處于全應力的狀態，保持一定的時間，這樣能夠加快激發器件內部的潛在缺陷，而且不會產生新的失效模式。老煉試驗條件主要從溫度應力、電應力和時間三個方面進行設定。查閱器件手冊資料可知，該SRAM器件的額定工作溫度為125℃，工作電壓范圍為3V～3.6V，質量等級為國軍標中的B級。根據GJB548B-2005老煉試驗條件的規定，該SRAM器件老煉環境溫度為125℃，老煉時間為160h，工作電壓為3.3V。

老煉試驗原理：

老煉設備單板具有256數字通道和4組電源，根據器件的封裝和老煉板的面積，單板上放置了24個SRAM老煉測試座，每6個老煉測試座共用一組電源和數字通道。動態老煉時，SRAM器件電源和地管腳接上電源和地，地址、數據和控制管腳接上數字通道，原理圖如圖4所示。

動態老煉過程中，在輸入管腳上施加激勵信號，查閱該SRAM器件手冊可知該器件最高工作頻率為50Mhz，對該SRAM器件進行動態老煉采用器件最高工作頻率50Mhz，這樣存儲器在老煉中電應力引起的溫度升高能夠很充分，通過電應力就可以最大化的激發存儲器的內部缺陷。激勵信號由測試圖形發生單元可以產生全“0”/全“1”算法、棋盤算法和齊步算法施加給SRAM器件輸入管腳，對存儲器的功能進行驗證。激勵信號可以同時給所有器件進行寫操作，但讀操作的時候由于每6個器件使用相同的數字通道，因此每次讀操作只能讀出4個器件的存儲數據信息，通過切換芯片選擇信號CE可以分時讀出所有器件的存儲數據信息。當存儲器的數據輸出與期望數據一致時，存儲器的功能正常，當存儲器的數據輸出與期望數據不一致時，錯誤信息出現，通過人機交互界面可以實時展現出來。

老煉試驗步驟：

根據GJB548B-2005老煉試驗方法的規定，對該SRAM器件的老煉主要按以下三個步驟進行：

（1）老煉前測試：在施加老煉試驗條件前對SRAM器件進行老煉前測試，測試包括全部25℃時的功能測試和參數測試，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箱中，施加規定的老煉條件（溫度125℃和工作電壓3.3V）并調試穩定，按照規定的老煉時間（160 h）進行老煉。

（3）老煉后測試：老煉完成后，在規定的96h內對SRAM器件進行包括全部25℃時的功能測試和參數測試，驗證SRAM器件性能是否合格。

3 結語

可靠性篩選試驗中，動態老煉是一種行之有效的方法，能快速激發器件內部潛在缺陷，剔除早起失效產品。本文基于提高存儲器的使用可靠性開展了對存儲器動態老煉試驗方法的研究，并以SRAM器件為例，從存儲器動態老煉方法、老煉設備選擇、老煉板設計、老煉實施方面實現了對該SRAM的動態老煉，

該方法具有一定的適用性，對開展其它類型存儲器的動態老煉試驗具有指導作用。