CN104408252A - 一种电路器件的可靠性评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于可靠性工程技术领域，提供了一种电路器件的可靠性评估方法与装置，包括：配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数；基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值；建立所述测试电路的电路模型；在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据；基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。本发明有效地降低了产品开发过程中的可靠性实验周期，且能够较为准确地完成对电路器件的可靠性评估。

Description

一种电路器件的可靠性评估方法及装置

技术领域

本发明属于可靠性工程技术领域，尤其涉及一种电路器件的可靠性评估方法与装置。

背景技术

现代科学技术的发展和工业水平的提高，极大地延长了半导体器件的寿命，提高了半导体器件的可靠性，因此，如何评估长寿命、高可靠性产品的可靠性，也成为了目前可靠性工程领域需要解决的重要问题。

目前，加速寿命实验已成为预测器件可靠性的一种行之有效的方法，被业界普遍采用。半导体器件的失效大多是由于表面、体内以及金属化系统的物理化学变化造成的，当温度升高以后，这些变化过程大大加快，器件失效过程加速，这就是加速寿命实验的理论依据。

采用阿列尼乌斯(Arrhenius)经验公式可以很好地评估器件寿命与温度之间的关系，但是该经验公式对器件的评估依赖于对长时间加速寿命实验的结果分析，所以对于器件研制方而言，只有在加速寿命实验后，才能根据上述公式进行失效分析，而当确定失效结果之后，又需要重新对器件进行可靠性加固设计。然而，半导体器件的研制需要经过电路设计、工艺流片、封闭、测试等多个环节，生产周期较长，上述方法显然更加延长了产品的研制周期，增加了研发成本。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电路器件的可靠性评估方法，旨在解决现有的半导体器件可靠性评估方法导致产品的研发周期长，研发成本高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电路器件的可靠性评估方法，包括：

本发明实施例的另一目的在于提供一种电路器件的可靠性评估方法，包括：

配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数；

基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值；

建立所述测试电路的电路模型；

在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据；

基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。

本发明实施例的另一目的在于提供一种电路器件的可靠性评估装置，包括：

特性参数配置单元，用于配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数；

应力趋势模型建立单元，用于获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值；

电路模型建立单元，用于建立所述测试电路的电路模型；

模型引入单元，用于在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据；

评估单元，用于基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。

在本发明实施例中，提取电路器件特性参数的“应力－特性参数”趋势模型，并基于电路设计仿真工具对测试电路进行建模及应力仿真，最后采用阿列尼乌斯经验公式提前完成对器件的可靠性评估，从而有效地降低了产品开发过程中的可靠性实验周期，且能够较为准确地完成对电路器件的可靠性评估。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电路器件的可靠性评估方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的电路器件的可靠性评估方法S102的具体实现流程图；

图3是本发明实施例提供的应力趋势模型的示例图；

图4是本发明另一实施例提供的应力趋势模型的示例图；

图5是本发明实施例提供的电路器件的可靠性评估装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，提取电路器件特性参数的“应力－特性参数”趋势模型，并基于电路设计仿真工具对测试电路进行建模及应力仿真，最后采用阿列尼乌斯经验公式提前完成对器件的可靠性评估，从而有效地降低了产品开发过程中的可靠性实验周期，且能够较为准确地完成对电路器件的可靠性评估。

图1示出了本发明实施例提供的电路器件的可靠性评估方法的实现流程，详述如下：

在S101中，配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数。

其中，所述测试电路包括单元器件、功能电路或者单元电路。根据测试电路的不同，进行可靠性评估的特性参数不同，同时判断测试电路是否失效的标准也不同：对于单元器件或者单元电路，由于其端口较少，功能较简单，可以选择开启栅压、漏电流大小、等效电阻、结电容、开关周期等作为进行可靠性评估的特性参数，且将在实验条件下特性参数对应力的变化作为评估器件是否失效的主要标准；对于功能电路，由于其涉及到的功能及电参数较多，可以选择器件功能实现、电源功耗、端口DC、AC等作为进行可靠性评估的特性参数，并将该功能电路的功能正常运行与否，或者特性参数是否在规定范围内，作为评估测试电路是否失效的标准。

在S102中，基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值。

作为本发明的一个实施例，S102中的应力趋势模型可以根据如图2所示的步骤获取：

S201，根据测试电路的类型，为所述测试电路施加与该类型相匹配的加速寿命实验。

其中，所述加速寿命实验包括恒定应力加速寿命实验、步进应力加速寿命实验和序进应力加速寿命实验。

将一定数量的测试电路样品分成几组分别进行加速寿命实验，对每组施加一个高于额定值的应力(后续若无特别说明，应力的表现形式均为温度)，在失效的测试电路达到规定失效数量，或者，测试时间达到规定失效时间后停止。通常，加速寿命实验分为：恒定应力加速寿命实验，即，应力是固定不变的的加速寿命实验；步进应力加速寿命实验，即，应力随时间分段增强的加速寿命实验；序进应力加速寿命实验，即，应力随时间连续增强的加速寿命实验。由于不同的测试电路对应的特性参数及失效标准不同，因此，不同测试电路所采用的加速寿命实验的类型也不同。对于单元器件，由于其实验环境相应固定且对特性参数的分析也较为方便直接，因此可以采用恒定应力加速寿命实验，而对于功能电路来说，可以采用步进应力加速寿命实验或者序进应力加速寿命实验。

S202，采集加速寿命实验过程中产生的实验数据，所述实验数据包括不同的应力条件下对应的特性参数值。

在进行加速寿命实验的同时，需要对实验过程中所产生的实验数据进行采集。具体地，根据实验开展过程中施加的应力的变化，对测试电路进行分组实验数据采集，分别完成不同的应力条件下，各分组测试电路的特性参数采集。采集到的实验数据的丰富与准确程度直接影响着后续过程中的趋势模型建模结果。

S203，基于采集到的实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

在本实施例中，可以通过Excel对采集到的实验数据进行趋势分析，生成应力趋势模型。

若S201中施加的是恒定应力加速寿命实验，由于特性参数的变化只与时间相关，因此在进行趋势分析时，将所有的分组器件视为一个整体，并将分组器件中特性参数超出规定标准的器件视为失效器件。基于恒定应力加速寿命实验在Excel中进行设置并生成的应力趋势模型的示例图如图3所示。

若S201中施加的是步加应力加速寿命实验或者序加应力加速寿命实验，由于特性参数的变化与应力变化相关，不同的应力所对应的特性参数的变化趋势也不同，因此，需要分段进行趋势分析，并根据应力的变化数量，有针对性的增加趋势对应。基于步加应力加速寿命实验或者序加应力加速寿命实验在Excel中进行设置并生成的应力趋势模型的示例图如图4所示，可以看出，采用该方式获取的应力趋势模型与实验数据拟合度高，但相对的，仿真时间与仿真复杂度也更高。

作为本发明的另一实施例，也可以基于已有的与测试电路同工艺、同类型的其他电路器件的加速寿命实验数据来进行趋势分析，从而获取到指定特性参数的应力趋势模型。

在S103中，建立所述测试电路的电路模型。

在本实施例中，对单元器件或单元电路而言，可以直接用HSPICE或Spectre工具开展电路仿真。对于功能电路，根据其功能和端口特性进行建模。

对于建立的测试电路模型需要满足以下几点：功能和端口的对应关系，工艺适用性，以及与实际器件参数的可对比性。对于搭建完成的电路，需要根据器件的实际状态进行参数调整与模型校准。

在S104中，在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据。

根据测试电路中指定的特性参数，在该测试电路的电路模型中引入相应的应力趋势模型。对于单元器件而言，如果是在HSPICE或Spectre工具下开展的电路仿真，则只需要通过修改仿真网表的方式，将相应的应力趋势模型加载到相应的器件端口上即可。对于功能电路而言，由于其采用功能和端口特性进行建模，所以在应力趋势模型引入时，需要根据实际情况进行网表修改或者行为模型(例如，VerilogA)参数修改。

在测试电路模型中引入应力趋势模型之后，如果特性参数为测试电路的最终输出，则通过该合并的模型，可以直接得到应力变化之下对应的特性参数变化趋势；如果特性参数为测试电路中间变量的输入或输出，则可以通过对该合并的模型进行修改，将应力变化作用到后级电路，从而可以得到应力变化之下后级电路的功能变化趋势。

在S105中，基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。

基于S104输出的仿真数据，可以得到不同应力(温度T)条件下，测试电路的特性参数基于寿命时间的参数特性变化量(ΔM)，即退化量，以及退化量对应的时间变化量(Δt)，可以根据阿列尼乌斯模型，完成对测试电路的寿命时间与激活能的预估。

测试电路的寿命与温度之间的关系符合阿列尼乌斯经验公式：

$\frac{\mathrm{\ΔM}}{\mathrm{\Δt}}={\mathrm{Ae}}^{-\mathrm{Ea}/\mathrm{kT}}---\left(1\right)$

式中ΔM/Δt即为化学反应速率，Ea为失效的激活能，k为波尔兹曼常数0.8617×10-4eV/K，T为绝对温度，A为常数。

对阿列尼乌斯经验公式两边取对数：

$\ln \frac{\mathrm{d\ΔM}}{\mathrm{d\Δt}}=\ln A+\frac{-\mathrm{Ea}}{k}\·\frac{1}{T}---\left(2\right)$

设y＝ln(ΔM/Δt)，x＝1/T，将上述实验数据通过Excel进行散点图绘制，绘制时以x为横轴，以y为纵轴，同时添加线性趋势线，则会得到y＝ax+b的趋势方程，将该趋势方程对应到式(2)，可以得到a＝-Ea/k，b＝lnA。由此可以得到激活能Ea的值。

从而可以简化(2)式如下：

$\ln \frac{\mathrm{d\ΔM}}{\mathrm{d\Δt}}=a\·\frac{1}{T}+b---\left(3\right)$

即： $\frac{\mathrm{\ΔM}}{\mathrm{\Δt}}=e^{(a\·\frac{1}{T}+b)}---\left(4\right)$

由于ΔM为应力T下，经过时间Δt后累积的退化量，所以基于式(4)，可以得到不同应力T对应的可靠性失效时间，即测试电路在应力T下的工作寿命。

结合上述过程，可以得到测试电路在不同特性参数下所对应的工作寿命。根据该工作寿命，结合对测试电路的失效评估标准，可以很容易得到相关特性参数工作寿命，从而可以获知最先导致器件失效的特性参数，进而可以在产品设计过程中，完成对测试电路的可靠性评估。该评估结果可以在选择产品工艺时为开发人员提供参考，或在工艺选定的情况下，由开发人员提前进行电路级的选型或结构加固，来降低产品在目标范围内的失效风险。同时，也可以在产品工艺与结构确认条件下，根据评估结果及早做好系统级的备份后选方案。

本发明实施例通过提取器件特性参数的应力失效趋势模型，基于电路设计仿真工具，通过对器件的建模、仿真，再采用阿列尼乌斯经验公式提前完成对器件寿命与可靠性的失效评估，从而有效地降低了实验周期，且能够较为准确地完成对器件的寿命与可靠性失效评估。

基于本发明图1至图4实施例，图5示出了本发明实施例提供的电路器件的可靠性评估装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图5，该装置包括：

特性参数配置单元51，配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数。

应力趋势模型建立单元52，获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值。

电路模型建立单元53，建立所述测试电路的电路模型。

模型引入单元54，在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据。

评估单元55，基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。

可选地，所述测试电路包括单元器件、功能电路或者单元电路。

可选地，所述应力趋势模型建立单元包括：

实验子单元，根据所述测试电路的类型，为所述测试电路施加与该类型相匹配的加速寿命实验。

采集子单元，采集加速寿命实验过程中产生的实验数据，所述实验数据包括不同应力条件下对应的特性参数值。

分析子单元，基于采集到的实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

可选地，所述应力趋势模型建立单元52具体用于：

基于与所述测试电路相同工艺或者相同类型的其他电路器件的加速寿命实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

可选地，所述评估单元55具体用于：

采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的寿命时间和/或激活能的预估。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电路器件的可靠性评估方法，其特征在于，包括：

配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数；

基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值；

建立所述测试电路的电路模型；

在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据；

基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试电路包括单元器件、功能电路或者单元电路。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型包括：

根据所述测试电路的类型，为所述测试电路施加与该类型相匹配的加速寿命实验；

采集加速寿命实验过程中产生的实验数据，所述实验数据包括不同应力条件下对应的特性参数值；

基于采集到的实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型包括：

基于与所述测试电路相同工艺或者相同类型的其他电路器件的加速寿命实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估包括：

采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的寿命时间和/或激活能的预估。

6.一种电路器件的可靠性评估装置，其特征在于，包括：

特性参数配置单元，用于配置用于可靠性评估的测试电路的特性参数；

应力趋势模型建立单元，用于基于实验数据获取所述特性参数的应力趋势模型，所述应力趋势模型用于表示所述特性参数在不同应力之下的特性参数值；

测试电路模型建立单元，用于建立所述测试电路的电路模型；

模型引入单元，用于在所述测试电路的电路模型中引入所述应力趋势模型，得到所述测试电路的应力仿真数据；

评估单元，用于基于所述测试电路的应力仿真数据，采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的可靠性评估。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测试电路包括单元器件、功能电路或者单元电路。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述应力趋势模型建立单元包括：

实验子单元，用于根据所述测试电路的类型，为所述测试电路施加与该类型相匹配的加速寿命实验；

采集子单元，用于采集加速寿命实验过程中产生的实验数据，所述实验数据包括不同应力条件下对应的特性参数值；

分析子单元，用于基于采集到的实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述应力趋势模型建立单元具体用于：

基于与所述测试电路相同工艺或者相同类型的其他电路器件的加速寿命实验数据进行趋势分析，生成所述特性参数的应力趋势模型。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述评估单元具体用于：

采用阿列尼乌斯经验公式完成对所述测试电路的寿命时间和/或激活能的预估。