CN106529026A - 混合集成电路模块可靠性评估方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合集成电路模块可靠性评估方法和系统，通过获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据，根据每种元器件的个数和对应元器件的激活能，利用算术平均计算，可快速计算出混合集成电路模块的激活能，在高温加速寿命试验的基础上，根据混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数，结合混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据可快速计算出混合集成电路模块在各个不同工作条件下的失效率数据。

Description

混合集成电路模块可靠性评估方法和系统

技术领域

本发明涉及电子元器件性能评估领域，特别是涉及一种混合集成电路模块可靠性评估方法和系统。

背景技术

混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit，HIC)是由半导体集成工艺与薄(厚)膜工艺结合而制成的集成电路。混合集成电路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互连线，并在同一基片上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件混合组装，再外加封装而成。与分立器件相比，混合集成电路具有组装密度大、可靠性高、电路性能好等特点。与单片集成电路相比，它设计灵活，工艺方便，便于多品种小批量生产，并且元件参数范围宽、精度高、稳定性好，可以承受较高电压和较大功率。

传统的电子元器件激活能的提取通常采用三个不同温度点的加速寿命试验方法，通过三个不同温度点下的寿命时间数据，提取该电子元器件的激活能。但集成电路由于结构上的特点，其正常工作时的壳温必须小于125℃，当壳温超过125℃时，内部的保护电路就会启动，断开输出。因此，当采用三个温度点的加速寿命试验方法进行激活能参数提取的时候，由于加速寿命试验的壳温较低(最高壳温不能超过125℃)，三个不同的温度点下，要得到一定数量的失效样品，进行电路模块激活能的提取，需要很长的试验时间，这使得该种试验方法在工程上难以应用。

传统的混合集成电路模块可靠性预计方法是依据GJBZ 299C-2006“电子设备可靠性预计手册”，对集成电路不同壳温下的失效率进行预计，但可靠性预计的方法需要大量的现场失效数据，花费的时间长，且现在电子元器件产品更新换代的速度越来越快，研制生产的周期越来越短，现行标准及常规评价方法已不能满足需要。传统的混合集成电路模块可靠性预计方法无法快速有效得出混合集成电路模块可靠性数据。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种能快速有效得出混合集成电路模块可靠性数据的混合集成电路模块可靠性评估方法和系统。

一种混合集成电路模块可靠性评估方法，包括以下步骤：

获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据；

根据所述每种元器件的个数和所述对应元器件的激活能，计算所述混合集成电路模块的激活能；

根据所述混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出所述混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数；

根据所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。

一种混合集成电路模块可靠性评估系统，包括：

数据获取模块，用于获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据；

激活能计算模块，用于根据所述每种元器件的个数和所述对应元器件的激活能，计算所述混合集成电路模块的激活能；

温度加速系数计算模块，用于根据所述混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出所述混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数；

失效率数据计算模块，用于根据所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。

上述混合集成电路模块可靠性评估方法和系统，通过获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据，根据所述每种元器件的个数和所述对应元器件的激活能，计算所述混合集成电路模块的激活能，根据所述混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出所述混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数，根据所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。通过统计混合集成电路模块内部各种元器件的种类、数量及对应元器件的激活能，可快速准确计算得到混合集成电路模块的激活能，在高温加速寿命试验的基础上，计算出混合集成电路模块在不同工作条件下的加速系数，从而快速得到混合集成电路模块在各个不同工作条件下的失效率数据。

附图说明

图1为一实施例中混合集成电路模块可靠性评估方法流程图；

图2为一实施例中混合集成电路模块可靠性评估系统结构图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种混合集成电路模块可靠性评估方法，包括以下步骤：

步骤S110：获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据。

具体地，激活能是指使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量。高温加速寿命试验是一种激发试验，它通过强化的应力环境来进行可靠性试验，高温加速寿命试验的加速水平通常用温度加速系数来表示，温度加速系数的含义是指设备在正常工作温度下的寿命与在高温加速环境下的寿命之比。

步骤S120：根据每种元器件的个数和对应元器件的激活能，计算混合集成电路模块的激活能。

具体地，混合集成电路模块中包含着一系列的元器件，不同类型的元器件其激活能也不一样，为表征整个电路模块的可靠性，必须考虑电路模块中所用的各种元器件，进行混合集成电路模块整体激活能的计算。在本实施例中，假设混合集成电路模块在使用过程中，各种元器件的失效均匀发生，混合集成电路模块整体激活能的计算具体为：

其中，E_a为混合集成电路模块的激活能，n₁为元器件1的个数，E_a1为元器件1的激活能，n₂为元器件2的个数，E_a2为元器件2的激活能，n_i为元器件i的个数，E_ai为元器件i的激活能。

采用各类元器件激活能算数平均值的方法，能快速有效计算出混合集成电路模块的激活能。

步骤S130：根据混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数。在本实施例中，具体为：

其中，A_t为温度加速系数，T_use为混合集成电路模块工作条件下的环境温度，T_test为混合集成电路模块高温加速寿命试验时的环境温度，k为波尔兹曼常数，Ea为混合集成电路模块激活能。

具体地，当混合集成电路模块激活能计算出来后，根据阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程计算出工作条件下的加速系数。

阿伦尼乌斯(Arrhenius)是由瑞典的阿伦尼乌斯所创立的化学反应速率常数随温度变化关系的经验方程，表述如下：

其中，为化学反应速率，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度、A为比例常数。

阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程反映元器件寿命与绝对温度T之间的关系式，是以温度T为加速变量的加速方程，它是元器件温度加速系数计算的基础。

步骤S140：根据混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。

在一个实施例中，步骤S140包括：将混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据与混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数相除，得到混合集成电路模块工作条件下的失效率数据。

具体地，温度加速系数的含义是指设备在正常工作温度下的寿命与在高温加速环境下的寿命之比，而元器件失效率数据与元器件的寿命成反比，因此，通过混合集成电路模块进行高温加速寿命试验的失效率数据和混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数即可推导出混合集成电路模块工作条件下的失效率数据。

在一个实施例中，假设一款混合集成电路模块内部的元器件数量及对应的激活能数据见表1所示，表中的相加值是指用元器件的数量乘以对应元器件的激活能的值，例如，对于变压器，其数量是3个，对应的激活能是0.66eV，则相加值就是3×0.66eV＝1.98eV，其它各元器件激活能相加值的计算过程类似，数量的合计值是指所有元器件数量的简单相加，而激活能相加值的合计值是指所有激活能相加值的简单相加。

根据表1中所列数据，利用激活能计算公式，计算出的混合集成电路模块的激活能为57.22/65＝0.880eV。

表1混合集成电路模块内的元器件数量及对应的激活能数据

具体地，这一款混合集成电路模块在进行环境温度为125℃的高温加速寿命试验时得到的的失效率数据为42.5×10^-6/h，混合集成电路模块工作条件下的壳温是75℃，上述计算得到混合集成电路模块激活能为0.880eV，根据温度加速系数公式计算出温度加速系数为40，由此计算得出该混合集成电路模块在工作条件下的失效率数据为42.5×10^-6/40＝1.06×10^-6/h。

上述混合集成电路模块可靠性评估方法，通过获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据，根据每种元器件的个数和对应元器件的激活能，计算混合集成电路模块的激活能，根据混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数，根据混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。通过统计混合集成电路模块内部各种元器件的种类、数量及对应元器件的激活能，利用算术平均计算，可快速准确计算得到混合集成电路模块的激活能，在高温加速寿命试验的基础上，基于阿伦尼乌斯方程，可计算出混合集成电路模块在不同工作条件下的加速系数，从而快速得到混合集成电路模块在各个不同工作条件下的失效率数据。集成电路大量应用于整机系统中，通过工作条件下失效率的快速计算，得知集成电路每年的失效数，同时便于制定安排采购计划，保障大型电子设备的正常工作，有利于整机系统进行可靠性设计。

在一个实施例中，如图2所示，一种混合集成电路模块可靠性评估系统，包括数据获取模块110、激活能计算模块120、温度加速系数计算模块130和失效率数据计算模块140。

具体地，数据获取模块110用于获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据。

具体地，激活能是指使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量。高温加速寿命试验是一种激发试验，它通过强化的应力环境来进行可靠性试验，高温加速寿命试验的加速水平通常用温度加速系数来表示，温度加速系数的含义是指设备在正常工作温度下的寿命与在高温加速环境下的寿命之比。

在一个实施例中，激活能计算模块120用于根据每种元器件的个数和对应元器件的激活能，计算混合集成电路模块的激活能。

具体地，混合集成电路模块中包含着一系列的元器件，不同类型的元器件其激活能也不一样，为表征整个电路模块的可靠性，必须考虑电路模块中所用的各种元器件，进行混合集成电路模块整体激活能的计算。在本实施例中，假设混合集成电路模块在使用过程中，各种元器件的失效均匀发生，混合集成电路模块整体激活能的计算具体为：

其中，E_a为混合集成电路模块的激活能，n₁为元器件1的个数，E_a1为元器件1的激活能，n₂为元器件2的个数，E_a2为元器件2的激活能，n_i为元器件i的个数，E_ai为元器件i的激活能。

采用各类元器件激活能算数平均值的方法，能快速有效计算出混合集成电路模块的激活能。

在一个实施例中，温度加速系数计算模块130用于根据混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数。在本实施例中，具体为：

其中，A_t为温度加速系数，T_use为混合集成电路模块工作条件下的环境温度，T_test为混合集成电路模块高温加速寿命试验时的环境温度，k为波尔兹曼常数，Ea为混合集成电路模块激活能。

具体地，当混合集成电路模块激活能计算出来后，根据阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程计算出工作条件下的加速系数。

阿伦尼乌斯(Arrhenius)是由瑞典的阿伦尼乌斯所创立的化学反应速率常数随温度变化关系的经验方程，表述如下：

其中，为化学反应速率，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，A为比例常数。

阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程反映元器件寿命与绝对温度T之间的关系式，是以温度T为加速变量的加速方程，它是元器件温度加速系数计算的基础。

在一个实施例中，失效率数据计算模块140用于根据混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。

具体地，失效率数据计算模块140包括：将混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据与混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数相除，得到混合集成电路模块工作条件下的失效率数据。

具体地，温度加速系数的含义是指设备在正常工作温度下的寿命与在高温加速环境下的寿命之比，而元器件失效率数据与元器件的寿命成反比，因此，通过混合集成电路模块进行高温加速寿命试验的失效率数据和混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数即可推导出混合集成电路模块工作条件下的失效率数据。

上述混合集成电路模块可靠性评估系统，数据获取模块110用于获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据，激活能计算模块120用于根据每种元器件的个数和对应元器件的激活能，计算混合集成电路模块的激活能，温度加速系数计算模块130用于根据混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数，失效率数据计算模块140用于根据混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。通过统计混合集成电路模块内部各种元器件的种类、数量及对应元器件的激活能，利用算术平均计算，可快速准确计算得到混合集成电路模块的激活能，在高温加速寿命试验的基础上，基于阿伦尼乌斯方程，可计算出混合集成电路模块在不同工作条件下的加速系数，从而快速得到混合集成电路模块在各个不同工作条件下的失效率数据。集成电路大量应用于整机系统中，通过工作条件下失效率的快速计算，得知集成电路每年的失效数，同时便于制定安排采购计划，保障大型电子设备的正常工作，有利于整机系统进行可靠性设计。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种集成电路模块可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据；

根据所述每种元器件的个数和所述对应元器件的激活能，计算所述混合集成电路模块的激活能；

根据所述混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出所述混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数；

根据所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。

2.根据权利要求1所述的混合集成电路模块可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述每种元器件的个数和所述对应元器件的激活能，计算所述混合集成电路模块的激活能，包括：

$E_a=\frac{n_1{E}_{a1}+n_2{E}_{a2}+......+n_i{E}_{ai}+...}{n_1+n_2+......+n_i}$

其中，E_a为混合集成电路模块的激活能，n₁为元器件1的个数，E_a1为元器件1的激活能，n₂为元器件2的个数，E_a2为元器件2的激活能，n_i为元器件i的个数，E_ai为元器件i的激活能。

3.根据权利要求1所述的混合集成电路模块可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出所述混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数，包括：

$A_t=\exp \left(\frac{Ea}{k}\right(\frac{1}{T_{use}}-\frac{1}{T_{test}}\left)\right)$

其中，A_t为温度加速系数，T_use为混合集成电路模块工作条件下的环境温度，T_test为混合集成电路模块高温加速寿命试验时的环境温度，k为波尔兹曼常数，Ea为混合集成电路模块激活能。

4.根据权利要求1所述的混合集成电路模块可靠性评估方法，其特征在于，根据所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据的步骤，包括：

将所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据与所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数相除，得到所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据。

5.一种混合集成电路模块可靠性评估系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取混合集成电路模块的每种元器件的个数、对应元器件的激活能、工作条件下的环境温度、所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度和失效率数据；

激活能计算模块，用于根据所述每种元器件的个数和所述对应元器件的激活能，计算所述混合集成电路模块的激活能；

温度加速系数计算模块，用于根据所述混合集成电路模块的激活能、工作条件下的环境温度和所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的环境温度计算出所述混合集成电路模块在工作条件下的温度加速系数；

失效率数据计算模块，用于根据所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据和所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数计算出所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据并输出。

6.根据权利要求5所述的混合集成电路模块可靠性评估系统，其特征在于，所述激活能计算模块，包括：

$E_a=\frac{n_1{E}_{a1}+n_2{E}_{a2}+......+n_i{E}_{ai}+...}{n_1+n_2+......+n_i}$

其中，E_a为混合集成电路模块的激活能，n₁为元器件1的个数，E_a1为元器件1的激活能，n₂为元器件2的个数，E_a2为元器件2的激活能，n_i为元器件i的个数，E_ai为元器件i的激活能。

7.根据权利要求5所述的混合集成电路模块可靠性评估系统，其特征在于，所述温度加速系数计算模块，包括：

$A_t=\exp \left(\frac{Ea}{k}\right(\frac{1}{T_{use}}-\frac{1}{T_{test}}\left)\right)$

其中，A_t为温度加速系数，T_use为混合集成电路模块工作条件下的环境温度，T_test为混合集成电路模块高温加速寿命试验时的环境温度，k为波尔兹曼常数，Ea为混合集成电路模块的激活能。

8.根据权利要求5所述的混合集成电路模块可靠性评估系统，其特征在于，所述失效率数据计算模块，包括：

将所述混合集成电路模块进行高温加速寿命试验时的失效率数据与所述混合集成电路模块工作条件下的温度加速系数相除，得到所述混合集成电路模块工作条件下的失效率数据。