海思芯片HTOL老化测试技术规范.docx

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海思芯片HTOL老化测试技术规范

HTOL测试技术规范

拟制：

克鲁鲁尔

审核：

批准：

日期：

2019-10-30

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版本

时间

起草/修改人

内容描述

审核人

批准人

V1.0

2019-10-30

克鲁鲁尔

首次发布

适用范围：

该测试它以电压、温度拉偏方式，加速的方式模拟芯片的运行状况，用于芯片寿命和长期上电运行的可靠性评估。

本规范适用于量产芯片验证测试阶段的HTOL老化测试需求。

简介：

HTOL（HighTemperatureOperatingLife）测试是芯片电路可靠性的一项关键性的基础测试,它用应力加速的方式模拟芯片的长期运行，以此评估芯片寿命和长期上电运行的可靠性,通常称为老化测试。

本规范介绍DFT和EVB两种模式的HTOL测试方法，HTOL可靠性测试工程师需要依据实际情况选择合适的模式完成HTOL测试。

引用文件：

下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。

序号

参考标准

说明

1

JESD22-A108D

HTOL标准

2

JESD47I

可靠性总体标准

3

JESD74A

半导体早期失效计算方法标准

1.测试流程

1.1HTOL测试概要

HTOL主要用于评估芯片的寿命和电路可靠性，需要项目SE、封装工程师、可靠性工程师、硬件工程师、FT测试工程师共同参与，主要工作包括：

HTOL向量、HTOL测试方案、HTOL环境调试、HTOL测试流程执行、测试结果分析、失效泄位等。

HTOL可以用两种方式进行测试：

DFT测试模式和EVB测试模式。

1.2DFT和EVB模式对比

DFT（DesignForTestability）!

］试模式：

集成度较高的IC一般有DFT设计，英HTOL模

式一般在DFT测试模式下进行，以扫描链、内建BIST、内部环回、JTAG,实现内部逻辑的翻转、读写、自测试和10的翻转等，其数字逻辑、memory、IP、IO的以串行方式运行。

EVB（EvaluationBoard）功能模式：

即正常应用模式，HTOL也可以在该模式下更符合实际应用场景，该模式下芯片各模块一般按照真实的应用场景并行运行。

DFT模式IITOL

EVB模式HTOL

说明

晶体管覆盖率

高

低

1、DFT模式天生具备极商晶体管覆盖率

2、EVB功能模式对晶体管覆盖率难以学控

电路覆盖率

高

中

1、DFT方式可以确保所有电路UP都有覆盖

2、取决于实际电路，不一定覆盖所有电路

覆盖方式

Stuck-At/BIST/Loopback

Function

1、DFT:

测试专用，不同于实际功能模式

2、EVB:

跑实际业务场景

电路运行方式

串行为主

并行为主

1、DFT:

备模块依次运行，动态时间短、静态时间长

2、EVB:

族模块并行.与实际1：

作场景吻合

功耗

功耗不均匀.差异大

J--J

1、DFT:

memory功耗偏高.IP功耗偏低，Pattern切换时电流跳变大.容易烧片

2、EVB：

功耗相对恒定

碾件实现

简单

复杂

1、DFT：

对外围电路及单板时序要求低.容易实现藝芯片并行老化

2、EVB：

锁件实现复杂.难以女芯片并行老化

环境搭建

简单

复朵

1、DFT：

硕件简搭建方便，调试较简单

2、EVB：

只能单•个讯扳依次搭建和调试

过程监控

难

简单.

1、DFT：

受限于老化机台，难以实现过程实时监控

2、EVB：

可实时监控并保存数据

总结：

•基于DFT的HTOL方案：

容易实现多批次、大样本量及持续监控，适合Process相关的可靠性问题激发：

•EVB的HTOL方案：

难以实现大批量测试，适合应用场景相关的设汁类可靠性问题激发：

•基于DFT的HTOL方案依赖专用的测试平台，一般在专业测试公司进行。

EVB方案不依赖测试平台，可在实验室温箱进行：

•应该选择符合实际需求的HTOL测试方法，二者结合，相互补充：

1.3HTOL测试流程

1.3.1DFT模式

1.3.2EVB功能模式

2.HTOL测试条件

2.1电压

一般按l.lx电压设豊，但可以设置更高的电压，说明如下：

推荐设置为“MaximumOperatingVoltageM电压，一般超岀正常电压5%~10%左右，该电压在Datasheet中有详细规龙。

如果该电压下芯片结温达不到要求，则需要提高电压以满足老化加速条件，但是不能超过“AbsoluteMaximumRatedVoltage”,否则会对器件产生破坏性损伤。

这两个电压芯片Datasheet-般都会给出，以TI的TMS32OF28O35为例：

5.4RecommendedOperatingConditions

MINNOM/MAX

\UNIT

Devicesupplyvoltage.I/O.

2.973.3（3.63

DevicesupplyvdtageCPU.（WheninternalVREGis

disabledand18Vissuppliedexternal"）

1.711.8\ta95^

）V

5.1AbsoluteMaximumRatings⑴⑵

overoperatingfree-airtemperaturerange（unlessotherwisenoted）

MIN

IMAX

\UNIT

Supplyvoltage

Vdok>（I/OandFlasTi）withrespecttoV^s

-0.3

4.6

VoowithrespecttoVss

-03

\25

/V

Analogvdtage

Vqoawithrespectto7®

-0.3

46一

/V

2.2温度

最低结温Tj要求125°C,且结温不得髙于150C。

然而，对于没有集成内部温度传感器的IC,结温无法直接测量，需要用公式推算:

Tj=Tc+0kxP

其中：

•Tj:

结温,JunctionTemperature；

•Tc:

壳温，CaseTemperature，即芯片封装外壳温度，调试过程中可用传感器实时监测；

•%：

PN结-外壳的热阻，表征材料的导热性，芯片Datasheet会给出：

•P：

芯片总功耗；

温度调试方法为，环境温度升到125°C,测试芯片在该条件下的总功耗。

然后由于结温有范咏125°C,15（TC）,可通过久xP反推特左结温下要求的壳温，通过升高或降低环境温度，将壳温调节到特泄值。

最终的环境温度大概率不是125°C,且功耗P相对于125°C条件下会有些细微变化，但一般认为变化较小可忽略不计。

2.3样本量

参考UESD47I））标准，样本量按照LTPD抽样规则，要求如下:

55Devicequalificationrequirements

Table1—Devicequaliticationtests

Stress

RcE

Abhv.

Conditions

Requirements

#Lots/SSperlot

l）uration/Accept

HighlemperatureOperatingUte

JESD22-A10&

JESD85

HTOL

TjX125°CV&>Vccmax

3Lots/77units

1000hre/0Fail

EarlyLiteFailureRale

JISD22-A10X,JESD74

ELFR

TjA125°CVg>Vccmax

SecELFRTabic

48

LowTemperatureOperatingLife

JESD22-AI08

LTOL

Tj<50°CVcv>Vccmax

1Lot/32units

1000hrs/0Fail

HighTemperatureStorageLife

JESD22-A103

HISL

Ta>150°C

3l.ots/25units

1000hrs/OHail

要求样本量为3Lots/77units,即三个批次（批次间隔时间鼻15天）每批次77个样本。

实际测试中，一般会用TT芯片做第一、第三批次的测试，第二批用corner芯片。

参考

Av=exp[/x（Vfl-Vj]⑵

其中：

了为电压加速指数，由实验条件决左：

匕为加速条件下的电压：

匕为正常使用条件下的电压；

总加速因子：

A=ArxAv（3）

正常使用条件下等效使用时间：

（4）

其中，是加速条件下的试验时间。

早期失效率ELFR（inFIT）：

ELFR（inHT）=109x2=109xZ2（%cL.2r+2）/（2xAxA^x/fl）⑸

早期失效率ELFR（inppmpertuu）：

ELFR（inppm）=109x2xtELFxIO-3

=10<\/\%CL.2r+2）/（2xAxA^Xrn）Xr££/.X1O_?

⑹

其中：

/l为指数分布的失效率；

力2为卡方分布：

N为样本量：

CL是置信度：

r是失效样本量，2r+2是卡方分布的自由度；

是定义的早期时间；

加速模型中，E“和卩为关键参数，不同工艺、失效模式下不尽相同，需要慎重使用，否则可能影响对失效的判断。

对于一般的HTOL试验的Aging失效模式等效计算・E“和/町参考Foundry提供的数据。

下文未特姝说明时，则默认E“=O.7cV、/=1VL

举例说明如何计算一泄条件下老化试验的早期失效率和等效使用时间：

测试条件如下：

Parameters

Expression

Value

Unit

ActivationEnergy

Ea

0.7

eV

VoltageAccelerationExponent

Y

1

V1

Boltzmann'sConstant

k

8.62E-05

eV/K

StressVohage

Va

1.98

V

StressTemperatiue

Ta

125

°C

NormalOperatingVoltage

Vu

1.8

V

NormalOperatingTemperature

Tu

55

°C

TestDiuation

ta

1000

hour

SampleSize

N

77

unit

TeniperatuieAccelerationFactor

Ar=e?

q）[（Ea/k）*（1/Tu-1/Ta）]

77.94

VoltageAccelerationFactor

Av=e?

q）[”广（Va-Vu）]

1.20

AccelerationFactor

A=Ay*Av

93.31

SpecifiedEarlyLifePeriod

Ylf

12

nx）nth

TotalRejects

r

0

unit

下而三个表给岀：

分别固左电压、温度、测试时间三个条件中的两个，计算不同电压.温度、测试时间下对应的等效使用年限。

电压

l.lx

1.2x

1.3x

等效使用年

（温度=125°C,测试时间=1000h）

10.65

12.75

15.27

ppm（yearfCL-60%）

1118

934

780

125°C

130cC

135°C

等效使用年

（电压=1.U测试时间=1000h）

10.65

13.72

17.57

ppm（yearfCL-60%）

1118

868

678

测试时间

168h

500h

lOOOh

等效使用年

（电压=1.U温度二125°C）

1.79

5.33

10.65

ppm（yearfCL-60%）

6650

2235

1118

计算表如下：

高温操作寿命HTO限早期失效EFR计!

3.HTOL测试注意事项

3.1试验流程的注意事项

•确左老化模块的关键参数：

HTOL试验过程中，会在几个时间点进行ATE测试，来确泄芯片是否完好。

在ATE测试过程中，我们会记录各个模块的关键参数，如logic和Memory电路的最高工作频率FMAX和最低工作电压VDDMIN,用于分析该参数在老化过程中的变化。

•老化向量需用的管脚列表：

该列表包括3部分：

1）老化向量的管脚，如：

信号管脚，电源管脚。

2）电源管脚。

3）其他闲置的管脚：

这些管脚必须配置成固立电平，并同时在管脚列表中说明。

•老化向量回仿：

ATE转化后的老化向量，可能需要返回前端进行仿真，确认老化向量的转换是否正确。

•老化板调试：

将老化向量通过老化测试机台接入老化板并驱动芯片工作，测试芯片的输出管脚并抓取波形，如果确认波形正确后，老化板调试才能结束并开始HTOL测试，记录的管脚和波形。

EVB功能模式下同样需要运行程序确认各部分工作正常。

•髙温功耗测试：

HTOL测试的时候，芯片的结温不能髙于150°C,因此需要通过芯片在试验条件下测试准确壳温和功耗，计算芯片的结温。

在HTOL测试前，将芯片至于髙温条件下（125*0,测试其功耗。

•芯片壳温测试：

将芯片至于老化设备中将温度升到125°C,模拟试验的条件下，用温度计测试芯片表而温度。

•HTOL测试环境温度确定：

将测试到的壳温和功耗，讣算芯片的结温，确定英是否满足结温高于125°C且低于150°C的要求。

如果在范用外则需要调整环境温度。

•芯片髙温工作确认：

根据确左的测试环境温度，将测试机台至于苴温度下，将老化板和芯片放入英中，通过引线到机台外而并用示波器抓取其波形。

如果波形和室温下的波形相同，确认老化向量可以在高温下运行。

•0、168、500、1000小时ATE测试：

在室温下将老化试验的芯片标号并进行ATE测试,记录每个芯片的关键参数，并保存datalogoEVB功能模式的老化同样需要测试并记录关键参数。

3.2老化需求

>DFT模式下，测试机台需求

1）输入通道数：

老化机台的输入通道数为96个，包括时钟信号。

2）最髙工作频率：

5M

3）向量存储深度：

128K.向量可以通过loop减少存储的深度。

>DFT模式下，老化向量覆盖模块需求：

HTOL测试成员参考但不限于以下因素来确立老化向量覆盖的模块：

1）IP/10和工艺存在的风险：

如使用未经过验证的IP或者IO等。

2）设汁过程中存在的风险：

如数字电路中timing比较紧张的模块、长期通过较大电流的模块，元件使用超出规格要求的模块等。

>老化向量覆盖率要求：

1）logic电路：

ScanATPG的stuck-atfaultcoverage大于70%。

2）MemoryBIST:

覆盖所有mcmory。

3）CPU/DSP:

ScanATPG的stuck-atfaultcoverage大于70%。

4）模拟电路：

PLL/AD/DA/SERDES等关键IP。

英他需求：

1）向量没有覆盖的管脚需要置成固左的电平，以防止在试验过程中损坏芯片。

2）输岀监控管脚：

在老化板调试过程中，根据该pin的波形来判断老化向量是否正常运行。