Vida útil a altas temperaturas

El factor de conmutación digital (DTF) representa la cantidad de transistores que cambian de estado durante la prueba de estrés, en relación con el número total de compuertas en la sección digital del circuito integrado. En efecto, el DTF es el porcentaje de transistores que conmutan en una unidad de tiempo. La unidad de tiempo es relativa a la frecuencia de conmutación y, por lo general, la configuración de la prueba de alta temperatura en línea (HTOL) la limita a un rango de 10 a 20 MHz.

Los ingenieros de confiabilidad se esfuerzan por conmutar la mayor cantidad posible de transistores para cada unidad de medida de tiempo. Las RAM (y otros tipos de memoria) generalmente se activan mediante la función BIST , mientras que la lógica generalmente se activa con la función SCAN , LFSR o BIST lógico .

Se evalúa la potencia y el auto calentamiento de la parte digital del circuito integrado y se estima su envejecimiento. Estas dos medidas se ajustan para que sean similares al envejecimiento de otros elementos del circuito integrado. Los grados de libertad para ajustar estas medidas son la tensión aplicada y/o el tiempo durante el cual el programa HTOL ejecuta estos bloques en bucle con respecto a otros bloques del circuito integrado.

La tendencia reciente de integrar la mayor cantidad posible de componentes electrónicos en un solo chip se conoce como sistema en un chip (SoC).

Esta tendencia complica el trabajo de los ingenieros de confiabilidad porque (generalmente) la parte analógica del chip disipa mayor potencia en relación con los demás elementos del circuito integrado.

Esta mayor potencia puede generar puntos calientes y áreas de envejecimiento acelerado. Los ingenieros de confiabilidad deben comprender la distribución de potencia en el chip y alinear el envejecimiento para que sea similar en todos los elementos de un circuito integrado.

En nuestro SoC hipotético , el módulo analógico solo incluye un regulador de voltaje. En realidad, puede haber módulos analógicos adicionales, como PMIC , osciladores o bombas de carga . Para realizar pruebas de estrés eficientes en los elementos analógicos, los ingenieros de confiabilidad deben identificar el peor escenario posible para los bloques analógicos relevantes en el circuito integrado. Por ejemplo, el peor escenario para los reguladores de voltaje podría ser el voltaje de regulación máximo y la corriente de carga máxima; para las bombas de carga, podría ser el voltaje de alimentación mínimo y la corriente de carga máxima.

Las buenas prácticas de ingeniería recomiendan el uso de cargas externas (resistencias, inductancias y capacitancias externas) para forzar las corrientes necesarias. Esta práctica evita las diferencias de carga debidas a los distintos esquemas operativos del chip y al ajuste de sus componentes analógicos.

Se utilizan métodos estadísticos para comprobar las tolerancias estadísticas , la variación y la estabilidad térmica de las cargas utilizadas, así como para definir los intervalos de confianza adecuados y evitar sobrecargas o subtensiones en el rango de funcionamiento HTOL. Los grados de libertad para ajustar la magnitud del envejecimiento de los componentes analógicos suelen ser el ciclo de trabajo , los valores de carga externa y la tensión aplicada.

La interfaz entre el mundo exterior y el circuito integrado (CI) se realiza mediante el anillo de entrada/salida (E/S). Este anillo contiene puertos de E/S de alimentación, puertos de E/S digitales y puertos de E/S analógicas. Las E/S suelen estar cableadas a través del encapsulado del CI hacia el mundo exterior, y cada una ejecuta sus propias instrucciones específicas, como los puertos JTAG o los puertos de alimentación del CI . La ingeniería de confiabilidad busca que todas las E/S envejezcan de la misma manera que los demás elementos del CI. Esto se puede lograr mediante una operación de escaneo de límites .

Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal de la prueba HTOL es envejecer las muestras mediante estrés dinámico a voltaje y/o temperatura elevados. Durante la operación HTOL, debemos asegurarnos de que el circuito integrado esté activo, conmutando y funcionando constantemente.

Al mismo tiempo, necesitamos saber en qué momento el circuito integrado deja de responder. Estos datos son importantes para calcular los índices de fiabilidad de precios y para facilitar el análisis de fallos . Esto se logra monitorizando el dispositivo mediante una o más señales de parámetros vitales del circuito integrado, comunicadas y registradas por la máquina HTOL, lo que proporciona una indicación continua sobre su funcionamiento durante todo el tiempo de ejecución de la HTOL. Algunos ejemplos de monitores de uso común son la señal de confirmación de finalización de BIST, la cadena de salida SCAN o la salida del módulo analógico.

Existen tres tipos de monitoreo:

1. Comparación de patrones: La señal de salida real se compara con la esperada y alerta ante cualquier desviación. La principal desventaja de este tipo de monitor es su sensibilidad a cualquier desviación mínima de la señal esperada. Durante la prueba de alta temperatura (HTOL), el circuito integrado funciona a temperaturas y/o voltajes que ocasionalmente se salen de sus especificaciones, lo que puede provocar una sensibilidad artificial y/o un mal funcionamiento que impide la comparación, pero que no constituye una falla real.
2. Actividad: Cuenta el número de conmutaciones y, si el resultado supera un umbral predefinido, el monitor indica que todo está correcto. La principal desventaja de este tipo de monitorización es la posibilidad de que se interprete erróneamente ruido o señales inesperadas. Este problema surge principalmente en el caso de monitores con un bajo número de conmutaciones.
3. Actividad dentro de un rango predefinido: Comprueba que el monitor responda dentro de un límite predefinido, por ejemplo, cuando el número de conmutaciones está dentro de un límite predefinido o la salida del regulador de voltaje está dentro de un rango predefinido.

Según las normas JEDEC, la cámara climática debe ser capaz de mantener la temperatura especificada con una tolerancia de ±5  °C en todo momento, tanto con las piezas cargadas como sin alimentación eléctrica. Las cámaras climáticas actuales ofrecen mejores prestaciones y pueden mantener la estabilidad de la temperatura dentro de un rango de ±3  °C.

Los circuitos integrados de baja potencia pueden someterse a estrés sin prestar especial atención a los efectos de auto calentamiento. Sin embargo, debido a la miniaturización de la tecnología y las variaciones en la fabricación, la disipación de potencia dentro de un mismo lote de producción puede variar hasta en un 40 %. Esta variación, sumada a la de los circuitos integrados de alta potencia, hace necesarios sistemas avanzados de control de la temperatura de contacto para facilitar el desarrollo de sistemas de control individualizados para cada circuito integrado.

La tensión de funcionamiento debe ser al menos la máxima especificada para el dispositivo. En algunos casos, se aplica una tensión mayor para acelerar la vida útil del dispositivo, tanto por la tensión como por la temperatura.

Para definir la tensión máxima permitida, se pueden considerar los siguientes métodos:

1. Fuerza del 80% de la tensión de ruptura ;
2. Fuerza seis sigma menor que la tensión de ruptura;
3. Ajuste la sobretensión a un valor superior a la tensión máxima especificada. En ocasiones, se utiliza un nivel de sobretensión del 140 % de la tensión máxima para aplicaciones militares y automotrices.

Los ingenieros de confiabilidad deben verificar que _{la tensión de estrés} V no exceda la tensión nominal máxima para la tecnología correspondiente, según lo especificado por el FAB.

El factor de aceleración (FA) es un multiplicador que relaciona la vida útil de un producto a un nivel de estrés acelerado con su vida útil al nivel de estrés de uso.

Un AF de 20 significa que 1 hora en condiciones de estrés equivale a 20 horas en condiciones útiles.

El factor de aceleración de voltaje se representa mediante AFv. Generalmente, el voltaje de estrés es igual o superior al voltaje máximo. Un voltaje elevado proporciona una aceleración adicional y puede utilizarse para aumentar las horas de funcionamiento del dispositivo o alcanzar un punto de vida útil equivalente.

Existen varios modelos de AFv:

1. Modelo E o modelo exponencial de aceleración de campo/voltaje constante;
2. modelo 1/E o, equivalentemente, el modelo de inyección de huecos en el ánodo;
3. Modelo V, donde la tasa de fallas es exponencial al voltaje.
4. Liberación de hidrógeno del ánodo para el modelo de ley de potencias

AFtemp es el factor de aceleración debido a los cambios de temperatura y generalmente se basa en la ecuación de Arrhenius . El factor de aceleración total es el producto de AFv y AFtemp.

La duración de la prueba de fiabilidad garantiza que el dispositivo cumpla con los requisitos de vida útil adecuados.

Por ejemplo, con una energía de activación de 0,7  eV,  una temperatura de estrés de 125 °C y  una temperatura de uso de 55 °C, el factor de aceleración (ecuación de Arrhenius) es de 78,6. Esto significa que 1000 horas de prueba de estrés equivalen a 9 años de uso. El ingeniero de confiabilidad decide la duración de la prueba de calificación. Las buenas prácticas de la industria recomiendan 1000 horas a una temperatura de unión de 125  °C.

El reto para los nuevos sistemas de evaluación y cualificación de la fiabilidad reside en determinar los mecanismos de fallo relevantes para optimizar el tamaño de la muestra.

Los planes de muestreo se derivan estadísticamente del riesgo del fabricante, el riesgo del consumidor y la tasa de fallos esperada. El plan de muestreo comúnmente utilizado de cero rechazos de 230 muestras equivale a tres rechazos de 668 muestras, suponiendo un LTPD = 1 y un intervalo de confianza del 90 %.

Las muestras deberán incluir muestras representativas de al menos tres lotes no consecutivos para reflejar la variabilidad de fabricación. Todas las muestras de prueba deberán fabricarse, manipularse, analizarse y ensamblarse de la misma manera que durante la fase de producción.

Las muestras se someterán a pruebas antes de la aplicación de la tensión y en puntos de control predefinidos. Se considera una buena práctica de ingeniería probar las muestras a las temperaturas máxima y mínima de funcionamiento, así como a temperatura ambiente. Los registros de datos de todas las pruebas funcionales y paramétricas se recopilarán para su posterior análisis.

Suponiendo que Tj = 125  °C, los puntos de control que se suelen utilizar son después de 48, 168, 500 y 1000 horas.

Mediante la ecuación de Arrhenius se pueden calcular diferentes puntos de control para distintas temperaturas. Por ejemplo, con una energía de activación de 0,7e V, una temperatura crítica (Tj ₎ de 135  °C y _{una temperatura de uso} (Tuse) de 55  °C, los puntos de control equivalentes serán de 29, 102, 303 y 606 horas.

Las pruebas eléctricas deben completarse lo antes posible tras la extracción de las muestras. Si no es posible realizar las pruebas inmediatamente después de su extracción, se debe aplicar un tiempo de prueba adicional. La norma JEDEC exige que las muestras se prueben dentro de las 168 horas posteriores a su extracción.

Si las pruebas superan el intervalo de tiempo recomendado, se debe aplicar estrés adicional según la tabla siguiente: ^{[ 2 ]}

El número de mérito es el resultado de planes de muestreo estadístico .

Los planes de muestreo se introducen en SENTENCE, una herramienta de auditoría, para garantizar que el resultado de un proceso cumpla con los requisitos. SENTENCE simplemente acepta o rechaza los lotes analizados. El ingeniero de fiabilidad implementa planes de muestreo estadístico basados ​​en límites de calidad de aceptación predefinidos, LTPD, riesgo del fabricante y riesgo del cliente. Por ejemplo, el plan de muestreo comúnmente utilizado de 0 rechazos de 230 muestras equivale a 3 rechazos de 668 muestras, suponiendo un LTPD de 1.

Ejemplo de condiciones de uso automotriz ^{[ 1 ]}

Ejemplo de definición de condiciones de uso de telecomunicaciones europeas

Ejemplo de definición de condiciones de uso de US Telecom

Ejemplo de condiciones de uso militar

Número de fallos = r

Número de dispositivos = D

Horas de prueba por dispositivo = H

Celsius + 273 = T (Temperatura de cálculo en Kelvin)

Temperatura de prueba (HTRB u otra temperatura de rodaje) =${\displaystyle T_{\text{prueba}}}$

Temperatura de uso (estandarizada a 55  °C o 328 K) =${\displaystyle T_{\text{uso}}}$

Energía de activación (eV) =${\displaystyle E_{\text{a}}}$

${\displaystyle {\text{X}}^{2}(\alpha ,\nu )}$Chi cuadrado/2 es la estimación de probabilidad para el número de fallas en α y ν.

Nivel de confianza para la distribución X^2; los cálculos de confiabilidad utilizan α=60% o 0,60 = α (alfa).

Grados de libertad para${\displaystyle X^{2}}$distribución; los cálculos de confiabilidad utilizan ν=2r + 2.0 = ν (nu)

Factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius =${\displaystyle A_{\text{f}}}$

constante de Boltzmann (${\displaystyle \hbar }$) =8,617 × 10 ⁻⁵  eV/K

Horas de funcionamiento del dispositivo ( DH ) = D × H

Horas equivalentes de dispositivo ( EDH ) = D × H ×${\displaystyle A_{\text{f}}}$

Tasa de fallos por hora =${\displaystyle \lambda _{\text{horas}}}$

Fallos en el tiempo = Tasa de fallos por cada mil millones de horas = FIT =${\displaystyle \lambda _{\text{FIT}}}$

Tiempo medio hasta el fallo = MTTF

Donde el factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius es:${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{uso}}}}-{\frac {1}{T_{\text{prueba}}}})}}$

Tasa de fallos por hora =${\displaystyle \lambda _{\text{hora}}={\frac {X^{2}(\alpha ,\nu )}{2\times D\times H\times A_{\text{f}}}}={\frac {X^{2}(\alpha ,\nu )}{2\times EDH}}}$

Fallos en el tiempo = Tasa de fallos por cada mil millones de horas = FIT =${\displaystyle \lambda _{\text{FIT}}=\lambda _{\text{horas}}\times 10^{9}}$

Tiempo medio hasta el fallo en horas = ${\displaystyle MTTF_{\text{horas}}={\frac {1}{\lambda _{\text{horas}}}}}$

Tiempo medio hasta el fallo en años = ${\displaystyle MTTF_{\text{años}}={\frac {1}{(\lambda _{\text{horas}}\times 24\times 365)}}}$´

En caso de que desee calcular el factor de aceleración incluyendo la humedad, la denominada prueba de estrés altamente acelerada ( HAST ), entonces:

El factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius sería:${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{prueba}}-{\text{HR}}_{\text{uso}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{uso}}}}-{\frac {1}{T_{\text{prueba}}}})}}$

dónde${\displaystyle {\text{HR}}_{\text{prueba}}}$es la prueba de estrés de humedad relativa (en porcentaje). Normalmente es del 85%.

dónde${\displaystyle {\text{HR}}_{\text{uso}}}$es la humedad relativa de uso típico (en porcentaje). Normalmente se mide en la superficie del chip, aproximadamente entre el 10 y el 20 %.

dónde${\displaystyle \beta }$es el factor de escala del mecanismo de falla. Que es un valor entre 0,1 y 0,15.

En caso de que desee calcular el factor de aceleración que incluya la humedad ( HAST ) y la tensión, entonces:

El factor de aceleración de la ecuación de Arrhenius sería:${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{\zeta \times ({\text{V}}_{\text{prueba}}-{\text{V}}_{\text{uso}})}\times e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{prueba}}-{\text{HR}}_{\text{uso}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{uso}}}}-{\frac {1}{T_{\text{prueba}}}})}}$

dónde${\displaystyle {\text{V}}_{\text{prueba}}}$es la tensión de estrés (en voltios). Normalmente es VCC x 1,4 voltios. Por ejemplo, 1,8 x 1,4 = 2,52 voltios.

dónde${\displaystyle {\text{V}}_{\text{uso}}}$es el voltaje de uso típico o VCC (en voltios). Normalmente VCC es 1,8 V. Dependiendo del diseño.

dónde${\displaystyle \zeta }$es el factor de escala del mecanismo de falla. Que es un valor entre 0 y 3,0. Normalmente 0,5 para defectos en uniones de silicio.

La extrapolación de las pruebas HTOL suele ser necesaria para evaluar el fallo de los dispositivos sometidos a prueba en condiciones de carga normales. La física del fallo y los modelos basados ​​en datos a menudo presentan dificultades con la extrapolación, por lo que se prefieren los modelos híbridos para esta tarea. Un ejemplo de ello son las cadenas de Markov con información física, que infieren la dinámica del fallo a partir de datos experimentales y utilizan similitudes mecánicas entre el caso de prueba y el conjunto de datos para extrapolar predicciones. ^{[ 4 ]}