CPU老化技術(shù)難點(diǎn)、存在的問(wèn)題及解決方案

針對(duì)不同工藝、不同設(shè)計(jì)的功能全兼容集成電路等效老化的需要，提取出了集成電路等效老化的特征參數(shù)—“歸一化老化電流”指標(biāo)α，并討論了等效老化信號(hào)的確定方法。結(jié)合集成電路等效老化信號(hào)確定方法，以CPU486為研究對(duì)象，給出通用CPU 等效老化試驗(yàn)方案，為評(píng)估和比較不同CPU 的質(zhì)量和可靠性提供了統(tǒng)一的試驗(yàn)平臺(tái)。
老化是一種能夠?qū)a(chǎn)品早期故障剔除的無(wú)損篩選試驗(yàn)技術(shù)。集成電路的老化過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)對(duì)其施加應(yīng)力，加速其內(nèi)部潛在缺陷暴露的過(guò)程。經(jīng)過(guò)老化，可以使有缺陷的集成電路在上機(jī)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(fā)生早期失效的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的使用可靠性；二是評(píng)估和比較不同產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平。
近年來(lái)，國(guó)家通過(guò)各種途徑大力扶持微處理器（CPU）產(chǎn)品的研發(fā)，已相繼研制出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CPU 產(chǎn)品。相對(duì)于先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，國(guó)產(chǎn)CPU 質(zhì)量和可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)研究相對(duì)滯后。目前國(guó)內(nèi)CPU 老化試驗(yàn)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(shí)鐘頻率定為1MHz，有的將老化時(shí)鐘頻率定為20MHz，這樣老化應(yīng)力強(qiáng)度和老化效果完全沒(méi)有可比性，因此無(wú)法通過(guò)老化試驗(yàn)進(jìn)行CPU 產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性水平的評(píng)估和比較。作為用戶，希望通過(guò)質(zhì)量和可靠性試驗(yàn)，評(píng)估出更為理想的產(chǎn)品。因此，對(duì)CPU 進(jìn)行等效老化試驗(yàn)技術(shù)的研究，成為CPU 質(zhì)量和可靠性評(píng)估急需解決的問(wèn)題之一?；谶@樣的技術(shù)需求，為了解決公正、科學(xué)地評(píng)估和比較不同CPU 的質(zhì)量和可靠性水平，本文進(jìn)行了通用CPU 等效老化試驗(yàn)技術(shù)的研究。
CPU老化試驗(yàn)技術(shù)動(dòng)態(tài)
老化試驗(yàn)原理
集成電路的老化過(guò)程，實(shí)際上是在強(qiáng)環(huán)境溫度應(yīng)力下，通過(guò)對(duì)其施加電應(yīng)力模擬其正常工作，使故障盡早出現(xiàn)。老化試驗(yàn)的目的是保證產(chǎn)品的使用可靠性和評(píng)估產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性水平。集成電路的老化試驗(yàn)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(duì)溫度K）時(shí)的反應(yīng)速率，A 為一系數(shù)，E a 為對(duì)應(yīng)的反應(yīng)激活能，k為Boltzmann 常數(shù)。溫度T 越高，R（T）越大，退化越快，失效率越高，器件的平均無(wú)故障工作時(shí)間也越短。許多文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)表明，對(duì)于Si 材料集成電路，在工作過(guò)程中，芯片溫度每提高10C，器件的失效率約會(huì)增加一倍。因此，芯片溫度在老化過(guò)程中起著決定性的作用，老化試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力強(qiáng)弱可以歸結(jié)為芯片溫度的高低。
老化時(shí)，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(huán)境溫度，P 為芯片工作功耗，θJA？是芯片到環(huán)境的熱阻。由于TA可以設(shè)置成相同的值，所以要確定老化時(shí)芯片溫度TJ的關(guān)鍵就在于確定功率P 與熱阻θJA？的乘積。
在老化試驗(yàn)中，外界可以控制的應(yīng)力只有環(huán)境溫度和電應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)和制造決定，熱阻越小，產(chǎn)品的可靠性越高。在進(jìn)行質(zhì)量和可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)其本征的特性熱阻是必須進(jìn)行考核的，這樣在考慮老化試驗(yàn)方案時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)該放在老化功耗上。
隨著集成電路設(shè)計(jì)線寬的不斷縮小，由等比縮小效應(yīng)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(shè)計(jì)技術(shù)。同一類(lèi)產(chǎn)品，由不同的公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，盡管功能完全一樣，其功耗卻相差很大，功耗低的產(chǎn)品，工作時(shí)的芯片溫度肯定低于功耗高的產(chǎn)品。如果在老化時(shí)僅僅考慮芯片溫度，使功耗低的產(chǎn)品與功耗高的產(chǎn)品芯片溫度一致，是不符合實(shí)際應(yīng)用情況的，因而是不科學(xué)的，必須研究能夠表征等效老化應(yīng)力的物理量，以評(píng)估老化試驗(yàn)的等效性。
CPU 老化技術(shù)難點(diǎn)和存在問(wèn)題
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，CPU 老化與傳統(tǒng)的集成電路老化的原理和作用是相同的。一般對(duì)于普通的組合邏輯電路，可以選取敏化通路法老化，對(duì)于單一的時(shí)序邏輯電路則可以采用狀態(tài)變遷檢查法老化。但對(duì)于CPU 這種功能非常復(fù)雜，集成的邏輯和存儲(chǔ)功能模塊繁多的芯片，簡(jiǎn)單的老化方法難以達(dá)到全面老化的目的。
迄今為止，國(guó)內(nèi)CPU 的老化仍然參照MIL-STD-883“微電子器件試驗(yàn)方法”中方法1005A，該方法規(guī)定了老化環(huán)境溫度及盡可能模擬實(shí)際應(yīng)用的電激勵(lì)等試驗(yàn)條件，但沒(méi)有考慮到工藝變化對(duì)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(shí)芯片自身功耗發(fā)熱對(duì)芯片溫度的影響成為必須考慮的因素。如何根據(jù)不同的工藝條件來(lái)確定老化頻率是CPU 老化試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
老化向量集的確定是CPU 老化試驗(yàn)中遇到的另一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)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(duì)CPU 內(nèi)部單元的覆蓋率千差萬(wàn)別，老化效果相差非常大。不同電路之間，只有其內(nèi)部單元的覆蓋率水平相當(dāng)時(shí)，才能獲得同等的老化效果。
只有在同樣的試驗(yàn)原則下進(jìn)行的評(píng)價(jià)，才具有實(shí)際可比的內(nèi)涵。目前對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU 的老化，老化線路、老化頻率都由生產(chǎn)方自定，對(duì)老化方法沒(méi)有評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則，老化結(jié)果可比性差。同時(shí)也很難保證到達(dá)用戶手中CPU 的使用可靠性。因此建立一個(gè)等效的老化試驗(yàn)規(guī)范，是CPU 質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)的關(guān)鍵，也是業(yè)界非常關(guān)心的問(wèn)題。
等效老化信號(hào)的確定
要建立一個(gè)具有可比性的CPU 等效老化試驗(yàn)規(guī)范，其實(shí)質(zhì)就是將CPU 老化試驗(yàn)方案與等效老化信號(hào)確定方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。本節(jié)主要闡述如何確定集成電路的等效老化信號(hào)，在后面的章節(jié)會(huì)專門(mén)討論CPU 老化試驗(yàn)方案。
老化應(yīng)力的表征
從老化原理可知，芯片溫度在老化過(guò)程中起著決定性的作用。如果產(chǎn)品的功耗相同，老化時(shí)外加的溫度和電應(yīng)力都相同，根據(jù)（2）式可知，老化芯片溫度能夠表征老化應(yīng)力強(qiáng)度。但如果考慮到芯片自身功耗的差異，僅用芯片溫度就無(wú)法表征老化應(yīng)力強(qiáng)度。產(chǎn)品老化時(shí)，功耗大的產(chǎn)品所加的電應(yīng)力肯定大于功耗小的產(chǎn)品，當(dāng)然功耗大的產(chǎn)品芯片溫度也會(huì)高于功耗小的產(chǎn)品。在評(píng)估老化應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，只比較外加電應(yīng)力的絕對(duì)大小是不夠的，必須將產(chǎn)品自身功耗的差異考慮進(jìn)去，找到一個(gè)包含自身功耗差異的老化應(yīng)力特征參數(shù)以評(píng)估老化應(yīng)力的等效性。只有這一特征參數(shù)相等，才能使不同產(chǎn)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(hào)的頻率有關(guān)，在晶體管翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，其功耗由三部分組成：動(dòng)態(tài)功耗、漏電功耗（靜態(tài)功耗）和短路（直流通路）功耗。其相關(guān)關(guān)系可用下式表示：
其中第一項(xiàng)是CV2f是動(dòng)態(tài)功耗，C 是一個(gè)分布電容，是由設(shè)計(jì)和工藝決定的，當(dāng)電源電壓一定，動(dòng)態(tài)功耗與信號(hào)頻率呈線性關(guān)系。（3）式中第二項(xiàng)VI peaktsf 是短路功耗，I peak是MOS 管導(dǎo)通時(shí)的峰值電流，ts 為PMOS 和NMOS 同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間。漏電功耗相對(duì)于動(dòng)態(tài)功耗和短路功耗來(lái)說(shuō)比較小，（3）式?jīng)]有考慮。由于Ipeak和ts參數(shù)在老化的過(guò)程中難以提取，本文只針對(duì)動(dòng)態(tài)功耗CV2f進(jìn)行研究。
如果老化時(shí)所加信號(hào)頻率等于其額定工作頻率，老化時(shí)由電應(yīng)力引起的芯片溫升與實(shí)際工作情況相似。但由于動(dòng)態(tài)老化是一個(gè)長(zhǎng)期的加電試驗(yàn)過(guò)程，而現(xiàn)代集成電路的工作頻率越來(lái)越高，老化用的信號(hào)源根本無(wú)法達(dá)到其額定工作頻率。現(xiàn)代最先進(jìn)的老化設(shè)備提供的老化信號(hào)最高頻率僅為20“30MHz，而CPU 動(dòng)輒數(shù)百到數(shù)千MHz，實(shí)際上CPU 的老化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其額定工作頻率。
由于環(huán)境溫度可以人為設(shè)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(shí)才發(fā)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(dòng)態(tài)功耗CV2f可以推得老化功耗電流的表達(dá)式：
由老化原理可知，老化功耗電流越接近實(shí)際工作時(shí)的電流，老化功率和實(shí)際應(yīng)用功率就越接近，老化就越能模擬實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，老化應(yīng)力就越強(qiáng)，其老化效果也越好。但由于老化設(shè)備在工程中不可能達(dá)到實(shí)際應(yīng)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(shù)相等，從邏輯上可以推出老化應(yīng)力水平相同。這里將老化電流與額定工作電流的比例系數(shù)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(yīng)力水平的特征參數(shù)。
等效老化信號(hào)的確定
對(duì)于不同的電路，由于其設(shè)計(jì)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(hào)頻率線性變化的斜率不同。因此，不同產(chǎn)品在相同的信號(hào)頻率下老化，其“歸一化老化電流”α會(huì)有較大的區(qū)別，老化應(yīng)力水平并不一致。
針對(duì)兩種功能相同，工藝和設(shè)計(jì)都不同的產(chǎn)品，老化的外圍線路圖是相同的。令兩種產(chǎn)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(dòng)態(tài)老化信號(hào)頻率：（6），（7）式中，α是根據(jù)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(cè)試或從產(chǎn)品手冊(cè)中查出，電流隨頻率變化的斜率k 可以通過(guò)試驗(yàn)的方法求出，等效老化的信號(hào)頻率也就隨之確定。
通用CPU 等效老化方案設(shè)計(jì)
通用CPU 老化線路設(shè)計(jì)
老化技術(shù)從靜態(tài)老化、動(dòng)態(tài)老化發(fā)展到功能性老化，功能性老化被認(rèn)為是探測(cè)器件缺陷的一種更好的方法。然而進(jìn)行功能性老化需要將測(cè)試設(shè)備與老化設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，設(shè)備非常昂貴，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有條件進(jìn)行功能性老化?；趪?guó)內(nèi)的現(xiàn)狀，文中不涉及CPU 功能性老化及老化向量集的研究，重點(diǎn)在于研究等效的CPU 動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法。
參照國(guó)內(nèi)外一些老化方案，結(jié)合對(duì)CPU486 體系結(jié)構(gòu)的研究，進(jìn)行通用CPU486 老化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)公司對(duì)通用CPU486 模擬仿真的結(jié)果可知，給CPU486 加復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)，若所給復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)能使CPU 正常復(fù)位，CPU 內(nèi)部翻轉(zhuǎn)的晶體管數(shù)可達(dá)60%～70%。僅給時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)部翻轉(zhuǎn)的晶體管數(shù)目是很少的，這一點(diǎn)從老化電流上就可反映出來(lái)，兩種情況下其老化電流相差非常大，見(jiàn)圖1。在無(wú)法進(jìn)行功能性老化的情況下，采用時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)進(jìn)行CPU486 動(dòng)態(tài)老化，可使老化覆蓋率達(dá)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(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化。老化時(shí)，在時(shí)鐘端與復(fù)位端加上信號(hào)，其它輸入端通過(guò)一個(gè)4.7k？的保護(hù)電阻接地或電源，使其有一個(gè)固定的狀態(tài)，輸出開(kāi)路。老化狀態(tài)可通過(guò)地址狀態(tài)輸出端ADS#進(jìn)行觀察，若ADS#端有正常的輸出信號(hào)，表明其老化狀態(tài)正常。
通用CPU 等效老化信號(hào)確定
通用CPU 老化時(shí)要同時(shí)加上時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)，為了使得不同產(chǎn)品在相同的“歸一化老化電流”下進(jìn)行老化，必須確定時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)頻率對(duì)CPU 老化電流的影響。
本文設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用了四種不同公司、不同設(shè)計(jì)、不同工藝，相同封裝的幾組樣品，有關(guān)試驗(yàn)樣品的具體信息見(jiàn)表1，其中XXX-33 為國(guó)內(nèi)某公司產(chǎn)品。
采用前面確定的通用CPU 動(dòng)態(tài)老化線路，對(duì)表1 列出的四種產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖1 是IntelDX2-66老化電源電流Icc隨Reset、CLK 信號(hào)頻率變化曲線，其他幾種產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖1 類(lèi)似。
從圖1 可以看出不加Reset 信號(hào)時(shí)老化電源電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)幾乎可以認(rèn)為是相重合的直線，說(shuō)明Reset 頻率變化對(duì)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(duì)老化電流的影響十分顯著。
圖2 是在Reset 頻率為10kHz時(shí)，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(shí)從各自的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)驗(yàn)值）及額定頻率下的工作電流值cc I 。
設(shè)歸一化老化電流為α，根據(jù)（6）式可分別算出四種CPU486 等效老化的時(shí)鐘信號(hào)頻率，具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。“歸一化老化電流”α的值，主要根據(jù)產(chǎn)品的額定功率、熱阻、最高結(jié)溫及老化設(shè)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(shè)備能力的限制，老化信號(hào)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(lèi)產(chǎn)品α值相同，老化的應(yīng)力水平相當(dāng)。但對(duì)于功耗特別大的產(chǎn)品，在老化時(shí)一定要注意α的取值，使老化時(shí)芯片溫度小于最高結(jié)溫的限制。
CPU老化技術(shù)難點(diǎn)、存在的問(wèn)題及解決方案
CPU老化技術(shù)難點(diǎn)、存在的問(wèn)題及解決方案

結(jié)論
通過(guò)對(duì)通用微處理器等效老化試驗(yàn)方法的研究，可以得出如下結(jié)論：1）等效老化試驗(yàn)是評(píng)估和比較不同工藝、不同設(shè)計(jì)的功能全兼容集成電路質(zhì)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(yīng)力強(qiáng)度的特征參數(shù)；3）通用CPU 可以采用本文給出的等效老化試驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和可靠性水平的有效評(píng)估和比較。