CN111009281B - 一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，步骤如下：一：Flash存储器初筛，对器件样品做一次全片擦写读测试，剔除已失效的器件；二：选择擦写测试算法，选择试验温度分组，模拟不同强度的环境应力；三：进行擦写循环试验，记录各温度组的读出数据错误数量，器件全部失效或到达预设试验时间试验停止；四：筛选试验数据，计算各温度组的平均无故障工作时间θ；五：计算环境温度与该温度平均无故障工作时间函数关系；六：求出常温下平均无故障工作时间；七：根据擦写循环试验中，单次循环所用时间和擦写次数，计算常温下耐擦写次数；八：与该型号器件理论耐擦写次数比较，评价该批次器件擦写性能是否满足要求；通过以上步骤，可以利用擦写次数评价Flash存储器的擦写性能，减少试验时间，为Flash存储器测试与评价提供充分的可靠性依据，具有实际推广应用价值。

Description

一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种电子元器件的性能评价方法，尤其涉及一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，属于电子元器件可靠性评价。

(二)背景技术

Flash存储器(或称闪存)是一种常用的非易失性存储器，该器件能够不加电时保存数据，加电时进行数据录入和读出，可进行循环擦写达10万次。Flash存储器的这种特性使其成为各类便携型数字设备的存储介质的基础，在民用领域有着的广泛应用，其在宇航、军事装备、航空等领域的地位也越来越高。为提高存储效率，Flash存储器的工艺尺寸在不断减小，擦写速度和集成度大大提高，线宽越来越小，阈值电压降低、噪声容限变窄、电路节点存储的电荷越来越少，改变电路节点状态所需的能量越来越小，发生故障的风险不断增加。

擦写性能是指Flash存储器按其规范要求所承受的一定量擦/写次数的能力。目前针对Flash存储器的擦写性能评价是在常温下按规定的最大循环次数对器件所有位进行写/擦操作，而一般Flash存储器可进行擦写循环10万次，耗时长，没有具体试验过程规定。

一种热电应力下Flash存储器擦写性能评价方法是在高温环境下评价Flash存储器的擦写性能的一种方法，高温环境产生的热应力可以激发Flash存储器擦写过程中的故障，评价出高温下Flash存储器耐擦写次数，通过不同温度的评价拟合方程，推算出常温下的耐擦写次数。该方法详细叙述了具体的试验步骤，在高温环境下加速了故障发生，缩短了试验时间，提高了评价效率。

(三)发明内容：

1.目的：

本发明的目的是为了提供一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，它能解决目前Flash存储器擦写性能的评价依据少，方法效率低的问题。

2.技术方案：

本发明总结Flash存储器的擦写性能评价方法，确定热电应力施加方式，擦写读循环试验中的数据错误bit数量进行统计，基于热应力下的加速试验方法提出一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法。

本发明提出一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，它包括以下步骤：

步骤一：Flash存储器初筛；该步骤是选取Flash存储器器件作为样品，对全部样品器件进行一次全片擦写读测试，初步筛选样品，若器件失效，剔除已失效的器件；

步骤二：热电应力施加方案确定；该步骤是热应力以恒定环境高温的方式施加，将初筛后的样品选择4～5个温度(T₁、T₂…T_i，i＝4，5)分组编号；电应力以对器件进行擦写读循环操作的方式施加，擦写读循环操作按被测器件型号所对应的擦写测试算法流程进行；

步骤三：进行各温度下的擦写读循环试验；该步骤是按步骤二中设计的热电应力施加方案进行试验，试验过程中，记录擦写读循环中读出数据错误的错误位数和错误地址，继续试验；若在试验过程中器件失效，记录失效时间，失效器件停止试验；试验停止条件为，该温度组全部样品器件失效，或到达预设试验时间t₀；

步骤四：计算各温度组平均无故障工作时间θ；该步骤是筛选试验数据，统计各温度组读出数据错误数量，记为r(T₁)、r(T₂)…r(T_i)(i＝4，5)；计算各温度组样品器件试验时间之和∑t(Tj)(j＝1,2…i,i＝4/5)，失效器件的试验时间为失效时间，未失效器件的试验时间为预设试验时间t₀；计算各温度组平均无故障工作时间θ，即

步骤五：计算环境温度与该温度平均无故障工作时间函数关系；各温度下擦写读循环试验的加速读出数据错误是基于Arrhenius模型，该步骤是计算各温度组的lnθ，将lnθ与对应温度的1/T进行一元线性拟合，即

计算相关系数R²＞0.95，验证lnθ与1/T确为线性关系；其中系数a，b分别是lnθ与对应温度的1/T的线性图像的斜率和截距。

步骤六：计算常温下平均无故障工作时间；该步骤是根据拟合出的θ与T的关系式，得到常温下器件平均无故障工作时间θ，即

步骤七：计算常温下耐擦写次数；该步骤是根据擦写读循环试验中按照的擦写测试算法，计一次循环试验时间为m，一次循环含全片擦操作/写操作数量为n，计算常温下耐擦写次数N为

步骤八：擦写性能评价；该步骤是将N与耐擦写次数P比较，若N>P，则该器件符合擦写性能要求，若N<P，则该器件不符合擦写性能要求；

通过以上步骤，将目标器件置入不同高温环境下进行擦写读循环试验，得到各温度下平均无故障工作时间，通过线性拟合推算出常温下无故障工作时间，据此计算常温下耐擦写次数。

其中，在步骤一中所述的“一次全片擦写读测试”是指对器件样品进行一次全片擦除、全片读1验证、全片写0再全片读0验证的测试，该测试采用直接存储测试(directaccess memory testing)，即在器件外部外接电路，连接上位机，利用上位机软件生成测试向量对芯片进行擦/写/读操作，且上位机需要能够记录读出数据所在地址；为生成测试向量，针对不同型号不同批次的器件，测试前查询该型号批次Flash存储器的器件手册或厂家资料，得到引脚排布、存储空间大小、寻址方式和读/写/擦命令代码来完成测试。

其中，在步骤一中所述的“器件失效”，是指在一次全片擦写读测试后，若器件不能读出数据，或读出数据错误bit数大于20，判定该器件为失效器件；若读出数据错误位数小于20，可利用上位机记录读出数据错误的位数和错误地址，判定该器件为合格器件继续试验。

其中，在步骤二中所述的“选择4～5个温度值(T₁、T₂…T_i，i＝4，5，单位：℃)分组进行”，其具体作法如下：步骤一初步筛选过的器件作为样品，若选取4个温度值，试验分为4组，若选取5个温度值，试验分为5组，每组数量相差1～2只；从该型号Flash存储器的器件手册或厂家资料得到器件最高工作温度T_max，取T_max(i＝4，5)为最高试验温度，分为四组的试验温度依次是：T₁＝T_max-30、T₂＝T_max-20、T₃＝T_max-10、T₄＝T_max，分为五组的试验温度依次是：T₁＝T_max-40、T₂＝T_max-30、T₃＝T_max-20、T₄＝T_max-10、T₅＝T_max。

其中，在步骤二中所述的“擦写测试算法”，是指利用上位机软件生成的以一定擦写读顺序的组成的测试算法，比如初筛时使用的MSCAN算法；

其中，在步骤三中所述的“预设试验时间t₀”，一般取500h，1000h，1500h，2000h，根据GJB548B-2005规定寿命试验中加速寿命试验中试验时间取300h-1000h，各温度组不必须要求试验时间相同，后续计算时取平均无故障间隔时间，取错误数量越多数据越准确，但若该温度组无故障数，可增长试验时间。

其中，在步骤四中所述的“统计各温度组读出数据错误数量”，其具体作法如下：每次循环结束后，记录该循环读出数据错误位数量，若其中某一位，在上一循环中错误，则该位不计入；若其中某一位错误，在之前的循环中错误，但在上一循环中正确，则该位计入；器件失效时，记作错误数量1。

其中，在步骤八中所述的“耐擦写次数P”，其具体作法如下：若从该型号Flash存储器的器件手册或生产厂家资料中可得，则据此取P的值，若不能获得，对NOR Flash存储器可取P＝100 000次，NAND Flash存储器可取P＝1 000000次；

其中，在步骤一中所述的“器件失效”与步骤三所述的“器件失效”一致；权利要求中提到的“擦写读循环”指的是对被测器件依次进行全片擦除、全片读1检验、全片写0、全片读0检验的试验过程。

3.优点及功效：

本发明提供一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，该发明的优点是：

(1)提供了对Flash存储器擦写性能评价的一种定量评价方法，得出常温下Flash存储器耐擦写次数；

(2)在热应力下进行擦写循环试验，温度应力激发了数据故障错误，由数据错误数估算评价无故障间隔时间，通过线性拟合推算常温下耐擦写次数，试验时间减少，评价效率提高。

(四)附图说明：

图1本发明所述方法流程图

图2适用于Flash存储器的March算法流程图

图3MATLAB线性拟合寿命方程

(五)具体实施方式：

本发明选择的Flash存储器型号为GD25Q64CFG，GD25Q64CFG型Flash存储器为64Mbit，串行I/O的NOR Flash。器件封装形式为SOP8，整片芯片含有2048个Sector，每Sector含有4Kbyte，共计64个样品，并将样品编号为1～64#。结合具体的实际案例，对本发明所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法进行详细说明。

本发明一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其流程图如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一：Flash存储器初筛；该步骤是选取Flash存储器器件作为样品，对全部样品器件进行一次全片擦写读测试，初步筛选样品，若器件失效，剔除已失效的器件；选取64只Flash存储器器件，全部初筛合格。

步骤二：热电应力施加方案确定；该步骤是热应力以恒定环境高温的方式施加，将初筛后的样品选择4～5个温度(T₁、T₂…T_i，i＝4，5)分组编号；电应力以对器件进行擦写读循环操作的方式施加，擦写读循环操作按被测器件型号所对应的擦写测试算法流程进行；选取64只Flash器件，分为4组，每组16只器件，试验在温度选定为80℃、90℃、100℃、110℃下进行。具体条件设置和分组情况见下表1。擦写测试算法选取某种适用于Flash存储器的March算法，具体算法流程如图2。

表1试验条件设置

GD25Q64CFG中全片含有Sector数量为S＝2048，每Sector含有Byte数量为B＝4096。

步骤三：进行各温度下的擦写读循环试验；该步骤是按步骤二中设计的热电应力施加方案进行试验，试验过程中，记录擦写读循环中读出数据错误的错误bit数和错误地址，继续试验；若在试验过程中器件失效，记录失效时间，失效器件停止试验；试验停止条件为，该温度组全部样品器件失效，或到达预设试验时间t₀；热应力下擦写循环试验，64只器件无整只器件失效，试验时间都是1000h。

步骤四：计算各温度组平均无故障工作时间θ；该步骤是筛选试验数据，统计各温度组读出数据错误数量，记为r(T₁)、r(T₂)…r(T_i)(i＝4，5)；计算各温度组样品器件试验时间之和∑t(Tj)(j＝1,2…i,i＝4，5)，失效器件的试验时间为失效时间，未失效器件的试验时间为预设试验时间t₀；计算各温度组平均无故障工作时间θ，即

各温度组数据错误数如表2，计算各温度组的平均无故障间隔时间。

表2 GD25Q64CFG擦写试验数据

步骤五：计算环境温度与该温度平均无故障工作时间函数关系；各温度下擦写读循环试验的加速读出数据错误是基于Arrhenius模型，该步骤是计算各温度组的lnθ(，将lnθ与对应温度的1/T进行一元线性拟合，即

计算相关系数R²＞0.95，验证lnθ与1/T确为线性关系；利用一元线性回归拟合直线，纵坐标：θ的对数，即lnθ；横坐标：温度倒数1/T。若图形为直线，则说明热应力下的擦写循环试验满足Arrhenius加速寿命方程，使用Matlab进行数据处理：

由图可知，相关系数为R²＝0.9895，图形为直线，符合Arrhenius加速寿命方程。可判定Flash存储器的热应力下的擦写读循环试验符合Arrhenius加速寿命模型。

步骤六：计算常温下平均无故障工作时间；该步骤是根据拟合出的θ与T的关系式，得到常温下器件平均无故障工作时间θ，即

根据加速方程lnθ＝6.5706/T-0.0096，推算出常温下平均无故障工作时间，见表3。

表3常温下平均无故障工作时间计算过程

步骤七：计算常温下耐擦写次数；该步骤是根据擦写读循环试验中按照的擦写测试算法，计一次循环试验时间为m，一次循环含全片擦操作/写操作数量为n，计算常温下耐擦写次数N为

该测试算法循环测试一次为10h，全片擦写14次。

N＝t*14/10h＝390183

步骤八：擦写性能评价；该步骤是将N与耐擦写次数P比较，若N>P，则该器件符合擦写性能要求，若N<P，则该器件不符合擦写性能要求。

则该GD25Q64CFG存储器可耐擦写390183次，该器件Datasheet中规定该器件可耐擦写10w次，该器件符合规定。

Claims (8)

1.一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：Flash存储器初筛；本步骤是选取Flash存储器器件作为样品，对全部样品器件进行一次全片擦写读测试，初步筛选样品，若器件失效，剔除已失效的器件；

步骤二：热电应力施加方案确定；本步骤是热应力以恒定环境高温的方式施加，将初筛后的样品选择4～5个温度（T₁、T₂…T_i，i=4,5）分组编号；电应力以对器件进行擦写读循环试验的方式施加，擦写读循环试验按被测器件型号所对应的擦写测试算法流程进行；

步骤三：进行各温度组下的擦写读循环试验；本步骤是按步骤二中设计的热电应力施加方案进行试验，试验过程中，记录擦写读循环试验中读出数据错误的错误位数和错误地址，继续试验；若在试验过程中器件失效，记录失效时间，失效器件停止试验；若某一温度组中全部样品器件失效，或到达预设试验时间t₀，则此温度组擦写读循环试验停止；

步骤四：计算各温度组平均无故障工作时间θ；本步骤是筛选试验数据，统计各温度组读出数据错误数量，记为r(T₁)、r(T₂)…r(T_i)（i=4，5）；计算各温度组样品器件试验时间之和

（j=1,2…i,i=4,5），失效器件的试验时间为失效时间，未失效器件的试验时间为预设试验时间t₀；计算各温度组平均无故障工作时间

，即

（j=1，2…i，i=4,5）；

步骤五：计算环境温度与各温度组 平均无故障工作时间函数关系；各温度组下擦写读循环试验的加速读出数据错误是基于Arrhenius模型，本步骤是计算各温度组的

，将

与对应温度的1/T进行一元线性拟合，即

计算相关系数R²＞0.95，验证

与1/T确为线性关系；其中系数a，b分别是

与对应温度的1/T的线性图像的斜率和截距；

步骤六：计算常温下平均无故障工作时间；本步骤是根据拟合出的

与T的关系式，得到常温下器件平均无故障工作时间

，即

；

步骤七：计算常温下耐擦写次数；本步骤是根据擦写读循环试验中按照的擦写测试算法，计一次循环含全片擦操作/写操作试验时间为m，一次循环含全片擦操作/写操作数量为n，计算常温下耐擦写次数N为

；

步骤八：擦写性能评价；本步骤是将N与耐擦写次数P比较，若N>P，则此器件符合擦写性能要求，若N<P，则此器件不符合擦写性能要求；

通过以上步骤，将目标器件置入不同高温环境下进行擦写读循环试验，得到各温度组下平均无故障工作时间，通过线性拟合推算出常温下无故障工作时间，据此计算常温下耐擦写次数；

其中，在步骤一中所述的“器件失效”与步骤三所述的“器件失效”一致。

2.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“一次全片擦写读测试”是指对器件样品进行一次全片擦除、全片读1验证、全片写0再全片读0验证的测试，该测试采用直接存储测试（direct access memorytesting），即在器件外部外接电路，连接上位机，利用上位机软件生成测试向量对芯片进行擦写读操作，且上位机需要能够记录读出数据所在地址；为生成测试向量，针对不同型号不同批次的器件，测试前查询试验型号批次Flash存储器的器件手册或厂家资料，得到引脚排布、存储空间大小、寻址方式和读写擦命令代码来完成测试。

3.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“器件失效”，是指在一次全片擦写读测试后，若器件不能读出数据，或读出数据错误位数大于20，判定该器件为失效器件；若读出数据错误位数小于20，可利用上位机记录读出数据错误的位数和错误地址，判定该器件为合格器件继续试验。

4.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“选择4～5个温度（T₁、T₂…T_i，i=4,5）分组编号”，其具体作法如下：步骤一初步筛选过的器件作为样品，若选取4个温度值，试验分为4组，若选取5个温度值，试验分为5组，每组数量相差1～2只；从试验型号Flash存储器的器件手册或厂家资料得到器件最高工作温度T_max，取T_max（i=4,5）为最高试验温度，分为四组的试验温度依次是：T₁=T_max-30、T₂=T_max-20、T₃=T_max-10、T₄=T_max，分为五组的试验温度依次是：T₁=T_max-40、T₂=T_max-30、T₃=T_max-20、T₄=T_max-10、T₅=T_max。

5.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“擦写测试算法”，是指利用上位机软件生成的以一定擦写读顺序的组成的测试算法，比如初筛时使用的MSCAN算法。

6.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤三中所述的“预设试验时间t₀”，一般取500h，1000h，1500h，2000h，根据GJB548B-2005规定寿命试验中加速寿命试验中试验时间取300h-1000h，各温度组不必须要求试验时间相同，后续计算时取平均无故障间隔时间，取错误数量越多数据越准确，但若该温度组无故障数，可增长试验时间。

7.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤四中所述的“统计各温度组读出数据错误数量”，其具体作法如下：每次循环结束后，记录该循环读出数据错误位数量，若其中某一位，在上一循环中错误，则该位不计入；若其中某一位错误，在之前的循环中错误，但在上一循环中正确，则该位计入；器件失效时，记作错误数量1。

8.根据权利要求1所述的一种热电应力下的Flash存储器擦写性能评价方法，其特征在于：

在步骤八中所述的“耐擦写次数P”，其具体作法如下：若从试验型号Flash存储器的器件手册或生产厂家资料中可得，则据此取P的值，若不能获得，对NOR Flash存储器可取P=100 000次，NAND Flash存储器可取P=1 000 000次。

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