CN104596719A - 一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法。所述方法包括：温度步进应力试验、快速温变应力试验、振动步进应力试验、温度和振动综合应力试验。所有试验的整个过程中均对待评价样品的功能进行测试，并记录故障现象。在对待评价样品施加温度或振动应力的同时还可以施加其它特殊应力，如电应力。本发明通过施加一系列组合试验，减少了产品失效时间，从而将原需花费六个月至一年的评价试验，减少至仅需一周时间即可完成；本发明通过热、力、电应力组合试验，形成叠加或协调效应，大幅提高了评价试验的完整性、和准确性。前期多次验证结果表明，试验评价中发现的产品故障模式覆盖率可以达到98％以上。

Description

一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法

技术领域

本发明涉及集成电路可靠性评估领域，尤其涉及一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法。

背景技术

极限应力强度评价是一种使被测物承受不同的应力，进而发现设计上的极限，以及潜在弱点的实验方法。通过航天环境极限应力强度评价试验，可以获得航天用集成电路产品的工作极限和破坏极限值，充分地了解产品在航天应用的可靠性设计裕量，进而改善产品设计。

目前，应用最多的是高加速寿命试验方法。该方法是一种利用阶梯应力方式加诸于产品，在早期发现产品缺陷、操作设计边际及结构强度极限的方法。其加诸于产品的应力有振动、高低温、温度循环、电力开关循环、电压边际及频率边际测试等，通过试验可以增加产品的强健度及可靠度。

现有技术的主要缺点在于：一是缺少试验功能监测要求和方法；二是缺少综合应力评价方法；三是未区别产品的工作极限和破坏极限。

上述缺点导致了现有技术不能完整地评价航天综合应力条件下集成电路的可靠性，评价结果偏差较大。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，通过明确评价实施的应力条件，复原航天实际应力环境的组合，实现对航天集成电路工作极限和破坏极限的评价，快速发现产品的设计和工艺过程中存在的缺陷。

为了便于理解，先介绍一下与本发明有关的几个概念：

破坏极限：一个或多个产品的工作状态不再满足技术条件要求，且应力降低后，产品也不能恢复正常工作的那个应力强度值。破坏极限包括：破坏极限上限值、破坏极限下限值，对于振动试验只有上限。

工作极限：一个或多个产品的工作状态不再满足技术条件要求，但应力降低后，产品仍能恢复正常工作的那个应力强度值。工作极限包括：工作极限上限值、工作极限下限值，对于振动试验只有上限。

六自由度振动：一种模拟三个轴向六个方向振动的振动方式。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，通过施加组合试验，减少产品失效时间，从而快速确定待评价样品的破坏极限和工作极限；所述方法包括温度步进应力试验、快速温变应力试验、振动步进应力试验、温度和振动综合试验。所有试验的整个过程中均对待评价样品的功能进行测试，并记录故障现象。具体包括以下步骤：

S1、温度步进应力试验。

S11、确定试验起始温度：试验起始温度为20℃～30℃。

S12、确定温度步进等级：最大温度步进等级为10℃。

S13、确定温度点驻留时间：温度点驻留时间至少10分钟，使待评价样品上的温度监测热电偶达到稳定。

S14、按照所确定的温度步进等级，以及每个温度点的驻留时间，从所确定的起始温度开始逐步增加试验温度，直至找到待评价样品的工作极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

S15、确定待评价样品的工作极限后，温度步进试验继续进行，直至找到待评价样品的破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

S2、快速温变应力试验。

S21、确定试验环境温变速率为试验设备的最大温变速率。

S22、确定试验环境的最低温度比最低温度工作极限高10℃，确定试验环境的最高温度比最高温度工作极限低10℃。

S23、确定在试验环境的最低温度和最高温度的驻留时间：驻留时间至少为5分钟，以保证待评价样品上的温度监测热电偶达到稳定，以及待评价样品上热容量最大的部件的温度应力不小于试验应力的80％。

S24、按照所确定的温变速率，从所确定的最低温度开始逐步增加试验温度，直至达到确定的试验环境的最高温度。

如果待评价样品在试验中没有出现不可恢复性故障，快速温变试验至少执行5个循环。

S3、振动步进应力试验。

S31、确定试验的起始振动量级：起始振动量级为2～5Grms，推荐为5Grms。

S32、确定振动频率范围为2Hz～2000Hz，若产品最高使用频率超过2000Hz，则振动频率范围上限为产品最高使用频率。

S33、确定振动量级增加步长：振动量级增加步长为2～5Grms，推荐为5Grms。

S34、确定每个振动量级的驻留时间：驻留时间应当不小于10分钟。

S35、按照确定的振动频率范围、振动量级增加步长，以及每个振动量级的驻留时间，从确定的起始振动量级开始逐步增加振动量级，直至找到待评价样品的工作极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

S36、确定待评价样品的工作极限后，振动步进试验继续进行，直至找到待评价样品的破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

S4、温度和振动综合试验。

S41、确定试验环境的最低温度和最高温度在待评价样品工作极限温度的上下值之内；确定在试验环境最低和最高温度点的驻留时间，驻留时间至少为10分钟。

S42、按照S1所述温度步进应力试验方法进行试验，直至得到工作极限和破坏极限。如果待评价样品在试验中没有出现不可恢复性故障，试验至少执行5个循环。

S43、确定起始振动量级为步进振动试验中得到的待评价样品的最大振动量级的1/5，所述最大振动量级为振动破坏极限量级。如果在步进振动试验中没有找到最大振动量级，以试验设备的最大振动量级的1/5为起始振动量级；确定振动量级增加步长为初始振动量级；确定每个振动量级的驻留时间：驻留时间至少为10分钟。

S44、按照所述振动步进应力试验方法进行试验，直至待评价样品出现不可恢复性故障为止。

如果待评价样品在试验中没有出现不可恢复性故障，试验至少执行5个循环。

试验前还需进行如下准备工作：

通过功能检测，选择功能性能指标合格的集成电路作为待评价样品；试验为破坏性试验，试验后的待评价样品从其相应的批中剔除。

标识待评价样品的批号和序列号。

根据待评价样品的尺寸和重量，选择合适的极限应力试验设备，所述设备包括综合环境应力试验箱，以及相匹配的工装夹具。

将待评价样品安装在试验台上，安装时保证温度应力和振动能量能最大地传导给待评价样品；尽量使试验台面振动量1：1传递到待评价样品上。

将试验中用于温度校准控制的热电偶传感器粘贴在待评价样品的外表面。

在夹具附近振动最强的位置安装测量待评价样品振动响应的加速度传感器。

为了发现更多的产品失效模式，可以对试待评价样品施加步进应力(温度和振动应力)的同时施加其它的特殊应力。这些特殊应力包括，循环电应力、极限电压应力、极限电频率电应力、外接负载等应力参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过施加一系列组合试验，包括温度步进应力试验、快速温变应力试验、振动步进应力试验、温度和振动综合应力试验，建立多应力单一和叠加应力失效模型，减少产品失效时间，从而快速确定待评价样品的破坏极限和工作极限，使评价时间大大缩减，将原需花费六个月至一年的航天用集成电路极限应力强度评价试验，减少至仅需一周时间即可完成；

(2)本发明通过热、力、电应力组合试验，形成叠加或协调效应，有效激发样品内部热特性缺陷、力学特性缺陷、电特性缺陷的传导和扩散，并激发多应力协同效应引发的缺陷的传导和扩散，大幅提高了评价试验的完整性、和准确性。前期多次验证结果表明，试验评价中发现的产品故障模式覆盖率可以达到98％以上。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为本发明实施例的温度步进应力试验剖面示意图；

图3为本发明实施例的快速温变应力试验剖面示意图；

图4为本发明实施例的振动步进应力试验剖面示意图；

图5为本发明实施例的温度和振动综合试验剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例所采用方法的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，试验前准备。

(1)通过功能检测，选择功能性能指标合格的集成电路作为待评价样品。本发明所述试验为破坏性试验，试验后的待评价样品应从其相应的批中剔除。

(2)标识待评价样品的批号和序列号。

(3)根据待评价样品的尺寸和重量，选择合适的极限应力试验设备，包括综合环境应力试验箱，以及相匹配的工装夹具。

(4)将待评价样品安装在试验台上，安装时应保证温度应力和振动能量能最大地传导给待评价样品。尽量使试验台面振动量1：1传递到待评价样品上。

(5)将试验中温度校准控制的热电偶传感器粘贴在待评价样品的外表面。

试验温度校准控制系统为一个闭环的温度感应调控系统。温控热电偶感应温度应该尽量接近试验的平均温度，尽量安装在热容量相对较高的位置，不应该把温度控制热电偶安装在发热部件附件或样品的密闭空间里面。可以通过修改样品的封装来提高样品的热传导速率。例如，拆除样品的面板或外壳，在样品的底部开孔形成空气的流通通道等。

(6)安装测量待评价样品振动响应的加速度传感器。

建议安装位置：靠近安装夹具附近；振动最强的位置，如PCB板卡的中心位置；可能对振动比较敏感，脆弱的位置。

步骤2，对待评价样品施加电应力。

所施加的电应力可以是循环电应力、极限电压应力、极限电频率电应力等。所施加的电应力在整个试验过程中一直施加在待评价样品上，包括功能检测和各个等级应力试验阶段。

步骤3，进行待评价样品的功能测试准备，在整个试验过程中对待评价样品进行功能监测。

步骤4，温度步进应力试验。

试验起始温度为20℃～30℃。

最大温度步进等级为10℃。

温度点驻留时间至少10分钟，以保证待评价样品上的温度监测热电偶达到稳定。

按照所确定的温度步进等级，以及每个温度点的驻留时间，从所确定的起始温度开始逐步增加试验温度，直至找到待评价样品的工作极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

继续升高温度，直至找到待评价样品的破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

温度步进应力试验剖面示意图见图2。

步骤5，快速温变应力试验。

试验环境温变速率为试验设备的最大温变速率。

试验环境的最低温度比最低温度工作极限高10℃，确定试验环境的最高温度比最高温度工作极限低10℃。

在试验环境的最低温度和最高温度的驻留时间至少为5分钟。

按照所确定的温变速率，从所确定的最低温度开始逐步增加试验温度，直至达到确定的试验环境的最高温度；如果待评价样品在试验中没有出现不可恢复性故障，快速温变试验至少执行5个循环。

快速温变应力试验剖面示意图见图3。

步骤6，振动步进应力试验。

起始振动量级为2～5Grms，推荐为5Grms。

振动频率范围为2Hz～2000Hz，若产品最高使用频率超过2000Hz，则振动频率范围上限为产品最高使用频率。

振动量级增加步长为2～5Grms，推荐为5Grms。

每个振动量级的驻留时间不小于10分钟。

按照确定的振动频率范围、振动量级增加步长，以及每个振动量级的驻留时间，从确定的起始振动量级开始逐步增加振动量级，直至找到待评价样品的工作极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

振动量级继续增加，直至找到待评价样品的破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

由于待评价样品在所述振动应力范围内可能失效，所以有必要在各个等级振动应力试验间，对应失效时的振动应力点，降低一个步进振动应力，判断样品是否能恢复正常，若能够恢复，则这个点即为极限应力点。

振动步进应力试验剖面示意图见图4。

步骤7，温度和振动综合试验。

试验环境的最低温度和最高温度在待评价样品工作极限温度的上下值之内；确定在试验环境最低和最高温度点的驻留时间至少为10分钟。

按照所述温度步进应力试验方法进行试验，直至得到工作极限和破坏极限。如果待评价样品在试验中没有出现不可恢复性故障，试验至少执行5个循环。

起始振动量级为步进振动试验中得到的待评价样品的最大振动量级的1/5。如果在步进振动试验中没有找到最大振动量级，以试验设备的最大振动量级的1/5为起始振动量级；振动量级增加步长为初始振动量级；每个振动量级的驻留时间至少为10分钟。

按照所述振动步进应力试验方法进行试验，直至待评价样品出现不可恢复性故障为止。如果待评价样品在试验中没有出现不可恢复性故障，试验至少执行5个循环。

温度和振动综合试验剖面示意图见图5。

Claims (9)

1.一种航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，通过施加组合试验，减少产品失效时间，从而快速确定待评价样品的破坏极限和工作极限；所述方法包括：温度步进应力试验、快速温变应力试验、振动步进应力试验、温度和振动综合应力试验；所有试验的整个过程中均对待评价样品的功能进行测试，并记录故障现象。

2.根据权利要求1所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，所述温度步进应力试验还包括以下步骤：

S11、确定试验起始温度：试验起始温度为20℃～30℃；

S12、确定温度步进等级：最大温度步进等级为10℃；

S13、确定温度点驻留时间：温度点驻留时间至少10分钟，使待评价样品上的温度监测热电偶达到稳定；

S14、按照所确定的温度步进等级，以及每个温度点的驻留时间，从所确定的起始温度开始逐步增加试验温度，直至找到待评价样品的工作极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限；

S15、继续步进增加温度，直至找到待评价样品的破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

3.根据权利要求1所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，所述快速温变应力试验还包括以下步骤：

S21、确定试验环境温变速率为试验设备的最大温变速率；

S22、确定试验环境的最低温度比最低温度工作极限高10℃，确定试验环境的最高温度比最高温度工作极限低10℃；

S23、确定在试验环境的最低温度和最高温度的驻留时间：驻留时间至少为5分钟，以保证待评价样品上的温度监测热电偶达到稳定，以及待评价样品上热容量最大的部件的温度应力不小于试验应力的80％；

S24、按照所确定的温变速率，从所确定的最低温度开始逐步增加试验温度，直至达到确定的试验环境的最高温度。

4.根据权利要求1所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，在所述快速温变应力试验中，如果待评价样品没有出现不可恢复性故障，所述快速温变试验至少执行5个循环。

5.根据权利要求1所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，所述振动步进应力试验还包括以下步骤：

S31、确定试验的起始振动量级：起始振动量级为2～5Grms；

S32、确定振动频率范围：振动频率范围为2Hz～2000Hz，若产品最高使用频率超过2000Hz，则振动频率范围上限为产品最高使用频率；

S33、确定振动量级增加步长：振动量级增加步长为2～5Grms；

S34、确定每个振动量级的驻留时间：驻留时间不小于10分钟；

S35、按照确定的振动频率范围、振动量级增加步长，以及每个振动量级的驻留时间，从确定的起始振动量级开始逐步增加振动量级，直至找到待评价样品的工作极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限；

S36、继续步进增加振动量级，直至找到待评价样品的破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

6.根据权利要求2或5所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，所述温度和振动综合应力试验还包括：

S41、确定试验环境的最低温度和最高温度在待评价样品工作极限温度的上下值之内；确定在试验环境最低和最高温度的驻留时间，驻留时间至少为10分钟；

S42、按照所述温度步进应力试验方法进行试验，直至得到工作极限、破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限；

S43、确定起始振动量级为步进振动试验中得到的待评价样品的最大振动量级的1/5，所述最大振动量级为振动破坏极限量级；如果在步进振动试验中没有找到最大振动量级，以试验设备的最大振动量级的1/5为起始振动量级；确定振动量级增加步长为初始振动量级；确定每个振动量级的驻留时间，驻留时间至少为10分钟；

S44、按照所述振动步进应力试验方法进行试验，直至得到工作极限、破坏极限或者试验应力等级已经达到试验箱的能力极限。

7.根据权利要求6所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，在所述温度和振动综合应力试验中，如果待评价样品在温度或振动试验中没有出现不可恢复性故障，所述试验至少执行5个循环。

8.根据权利要求1所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，试验前还需进行如下准备工作：

通过功能检测，选择功能性能指标合格的集成电路作为待评价样品；试验为破坏性试验，试验后的待评价样品从其相应的批中剔除；

标识待评价样品的批号和序列号；

根据待评价样品的尺寸和重量，选择合适的极限应力试验设备，所述设备包括综合环境应力试验箱，以及相匹配的工装夹具；

将待评价样品安装在试验台上，安装时保证温度应力和振动能量能最大地传导给待评价样品；尽量使试验台面振动量1：1传递到待评价样品上；

将试验中用于温度校准控制的热电偶传感器粘贴在待评价样品的外表面；

在夹具附近振动最强的位置安装测量待评价样品振动响应的加速度传感器。

9.根据权利要求1所述的航天用集成电路极限应力强度的快速评价方法，其特征在于，可以在对待评价样品施加温度或振动应力的同时施加其它的特殊应力，所述特殊应力包括：循环电应力、极限电压应力、极限电频率电应力、外接负载应力。