TWI718243B - 用於電子電路元件之老化偵測器、用於監視電路元件的老化之方法、元件及控制裝置 - Google Patents

用於電子電路元件之老化偵測器、用於監視電路元件的老化之方法、元件及控制裝置 Download PDF

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Abstract

本發明有關用於電子電路元件的老化偵測器和監視電路元件的老化之方法。
用於電子電路元件(100)以監視電路元件(100)之老化的老化偵測器(30)包括至少一輸入，以偵測電路元件(100)的參數。老化偵測器(30)建構成決定關聯的回應門檻和/或回應，或者建構成調適回應門檻和/或回應，其中老化偵測器(30)也建構成至少回應於參數違背決定的回應門檻而觸發回應。老化偵測器(30)也建構成使用偵測的參數，以決定回應門檻，以及/或者調適回應門檻和/或回應。

Description

用於電子電路元件之老化偵測器、用於監視電路元件的老化之方法、元件及控制裝置
本發明有關用於電子電路元件的老化偵測器、監視電路元件之老化的方法、元件和控制裝置。
今日，積體電路包含多重的主動和被動電路元件，其也稱為同義元件，舉例而言例如電晶體、電阻器和電容器。於主動和被動操作，這些元件受到老化機制，舉例而言負偏壓溫度不穩定(negative bias temperature instability，NBTI)、HCI和/或電遷移，而可以導致電路元件參數的劣化，舉例而言為門檻電壓、飽和電流、內部阻抗和/或崩潰電壓的改變，因此分別導致積體電路異常或失效。
針對元件，可以將資訊程式化到裡面而成可不滅的讀取，而可以由此決定序號和/或生產標籤、晶圓號碼、元件的安裝位置和/或封裝標籤。
於安全為關鍵的應用，舉例而言於汽車應用，分別必須絕對避免異常或失效。因而，值得獲取關於老化過程的資訊。
在藉由標準化測量方法(舉例而言，JEDEC標準JP001.01； 來自測試結構和元件樣品的AEC-Q100)而獲得關於參數劣化類型和強度之特徵化資料的輔助下，則不同老化機制對於積體電路的影響可以藉由適當的設計措施而在至少一或多個典型應用現場來補償。然而，由於不同的電路類型、使用條件和環境參數(舉例而言為溫度)、半導體材料因為生產所造成的配置特徵，故在真實現場應用中獲得極為不同之老化劣化的變化。
德國專利申請案第000010161998A1號揭示監視具有多個元件的系統之操作的方法，其中偵測代表元件老化的參數，其中個別元件的老化程度藉由評估個別元件的參數值而決定，並且報告違背了老化因素的門檻值，老化因素則由累積的老化程度來決定。
此技藝的進一步狀況則描述於Keane等人的美國專利公開案第20120119825 A1、20090113358 A1、20100214007 A1號；T.Grasser(編)的「裝置和電路的Biss溫度不穩定」當中的「用於電路老化特徵化之晶片上的矽里程表」，Springer Science+Business Media紐約2014年，第679~717頁；以及Kumar等人的「對於輸出驅動器之晶片上的老化補償」，IEEE可靠度物理座談會，2014年，第CA 3.1~CA 3.5頁。
根據本發明，提供了根據申請專利範圍第1項的老化偵測器、根據申請專利範圍第6項的方法、根據申請專利範圍第8項的元件、根據申請專利範圍第9項之用於車輛的控制裝置。
老化偵測器乃提供給電子電路元件，以監視電路元件的老化。
老化偵測器包括至少一輸入，以偵測電路元件之特定於老化 的參數，並且建構成使用至少偵測的參數，以決定關聯的回應門檻和/或回應，或者調適回應門檻和/或回應。老化偵測器也建構成至少回應於偵測參數違背決定的回應門檻而觸發回應。老化偵測器的特徵在於以下事實：老化偵測器也建構成使用偵測的參數，以決定回應門檻，以及/或者調適回應門檻和/或回應。
由於有可能分別決定或調適回應門檻和/或回應，故在元件生產時未出現的資料，也可以用於指定回應門檻和/或回應。
根據本發明的一較佳具體態樣，所提供的是偵測參數為電路元件之元件為關鍵的應用之頻率和/或持續時間。因此，元件為關鍵的應用對於老化的影響就變成可偵測的。
老化偵測器可以包括至少一輸出，並且建構成對它施加電壓，並且老化偵測器也可以建構成回應於施加電壓，而偵測電阻或門檻電壓飄移。
這是有利的，因為電阻可以用於監視電遷移，以及/或者門檻電壓飄移可以用於監視金屬氧化物半導體(MOS)電晶體的負偏壓溫度不穩定效應(NBTI效應)。
依據本發明所提出的方法乃用於監視電子電路元件的老化。它包括以下步驟：決定至少一特定於老化的參數，決定關聯之特定於參數的回應門檻，至少回應於決定的參數違背回應門檻而觸發回應，調適回應門檻和/或回應，以及 使用決定的參數，以決定回應門檻，以及/或者調適回應門檻和/或回應。
由於有可能分別決定或調適回應門檻和/或回應，故在元件生產時未出現的資料也可以用於指定回應門檻和/或回應。
根據本發明的較佳具體態樣，所提供的是決定的參數為電路元件之元件為關鍵的應用之頻率和/或持續時間。
方法也可以包括：在電路元件的生產期間偵測生產資料，並且使用決定的生產資料以調適回應門檻和/或回應。
因此，不同生產批次之抗老化性的波動，也可以後續藉由調適回應門檻和/或回應而補償。
依據本發明所提出的元件包括根據本發明的老化偵測器。根據本發明所提出的控制裝置則適合車輛，並且包括根據本發明的元件。
於較佳的具體態樣，控制裝置建構成進行根據本發明的方法。
本發明的有利發展則指定於申請專利範圍的附屬項並且描述於【實施方式】。
10-1、10-2、10-n、10-x‧‧‧評估單元
20-1、20-2、20-y‧‧‧用於老化的偵測器
30‧‧‧用於元件為關鍵的應用之偵測器
40‧‧‧控制單元
100、100-1、100-2‧‧‧元件
200‧‧‧控制裝置
300‧‧‧現場
310-1、310-2、310-n‧‧‧測量曲線
320-1、320-2、320-n‧‧‧測量曲線
400‧‧‧服務操作
500‧‧‧生產操作
600‧‧‧關聯
P0‧‧‧起始值
PE‧‧‧結束值
△P‧‧‧位移
將藉由圖式和接著的敘述來更詳細解釋本發明的釋例性具體態樣，其中：圖1顯示依據本發明的釋例性具體態樣所監視之元件的方塊圖，圖2顯示根據本發明的釋例性具體態樣來監視元件之控制裝置的方塊圖， 圖3顯示調適回應門檻的範例，以及圖4顯示老化特徵P之位移△P的範例。
如果安全為關鍵的電子系統在特殊負載條件下發生錯誤，則這些系統尤其為了產品責任而必須更換，如此則確保不發生高負載條件和缺乏可負載性之元件為關鍵的組合。
在此背景下，可負載性(loadability)是個別的電路元件特徵，其受到真實生產順序的波動。
錯誤可以轉而取決於先前發生的特定負載，舉例而言發生在傳遞期間、在安裝地點，或元件的安裝、使用的地點(舉例而言為氣候)、使用者的行為。
然而，如果不知道錯誤僅因為特定的負載才發生，則這可以具有的後果是必須召回整個生產批次，雖然僅有受到特定負載的電路才必須被召回。
於本發明的釋例性具體態樣(其描述於下文)，尤其提出一種方法，其包括監視元件的一或多個劣化機制並且使用回應門檻。在此背景下，回應門檻乃特定於該元件和可負載性(舉例而言相對於元件的溫度或溼氣負載)。回應門檻使用監視的劣化機制而調適。
如果使用時的劣化條件或此種條件的組合(舉例而言為供應電壓、溼氣、高溫)在長操作時間下作用，則當抵達設定的門檻(舉例而言為門檻組合)時，可以啟動適當的補救性措施。以這些措施而言，然後可以避免或延遲失效。視錯誤的類型而定，可以使用替代選擇的操作模式(舉例而 言為處理器的較慢時脈)的活化或冗餘來作為措施。於極端情形和於安全為關鍵的元件，可以發出必須預防性更換元件的訊號。
被監視之劣化機制的一個範例是元件為關鍵的應用狀況之頻率和/或持續時間。元件為關鍵的應用狀況之範例包括過電壓、錯誤極化、超溫。雖然元件設計成承受此種元件為關鍵的應用狀況以達到特定的頻率和/或持續時間而無損傷，然而，如果此種應用狀況發生得比原始指定的在操作上更頻繁和/或更長，則這可以導致元件持續劣化，並且最後導致元件失效。
於釋例性發展，藉由使用監視的劣化機制而也調適了對於抵達或超過回應門檻之回應的類型。
由於有可能做後續調適，故在元件生產時未出現的資料也可以用於指定回應門檻和/或回應。
基本而言，有可能回饋關於現場已經安裝的特用積體電路(ASIC)之生產問題或可靠度弱點的資訊，如此則關鍵的劣化可以在故障發生之前便偵測和消除。
為此，舉例而言讀出已經在現場實施之偵測器的狀態資料(現場觀察)，並且與生產資料和應用條件做關聯，以便從這些可能的可靠度問題來推論。基於由此所獲得的資訊，ASIC中的偵測器門檻僅在受到影響的ASIC中做調適(舉例而言受限於生產批次、決定的生產期間或特定的應用)，而調適的方式使得ASIC可以在抵達關鍵狀態之前及時輸出警告。
舉例而言，ASIC類型之現場資料的評估顯示在高溼氣的區域，累積的失效發生於有限數目的車輛類型(特定的安裝狀況)。與生產資料 所做的關聯則將受到影響的ASIC限制於狹窄界定的生產期間。除此之外，偵測器資料的評估顯示於所有受影響的ASIC，雖然特殊的偵測器已經增加數值(舉例而言為溼氣)，但是尚未抵達它原始設定的回應門檻。藉由在此提出的發明，則回應門檻現在可以針對溼氣偵測器來降低，而作為來自對應生產期間的ASIC之檢視的一部分，它們安裝在受到影響的車輛中，如此則偵測器在ASIC失效之前先抵達其門檻。由於限制於真正受到影響的ASIC，故可以明確降低召回行動的成本以及現場失效次數。
本發明之進一步的釋例性具體態樣有關老化偵測器，其分別直接或間接監視老化機制或元件為關鍵的應用狀況。
老化偵測器的一個釋例性具體態樣則建構成施加電壓在針對應用電路未直接使用之導電軌安排的輸出上，以偵測其電阻並且使用它以監視電遷移。
老化偵測器的另一釋例性具體態樣則建構成經由輸出而施加電壓到一個或者同時或接續到多個MOS電晶體，以偵測門檻電壓飄移並且使用它以監視NBTI效應。
老化偵測器之更進一步的釋例性具體態樣則建構成偵測在輸入的一或多個過電壓，其可以僅發生在元件為關鍵的應用狀況，舉例而言當斷開車輛電池時的負載突降(load dump)，並且使用計數器以計數已經發生之單一事件的次數。
老化偵測器之進一步的釋例性具體態樣再次建構成使用二極體作為溫度感測器。當超過特定的溫度時，可以記錄超溫的持續時間，並且與基於振盪器的計時器訊號做組合而加在一起。
本方法也可以用於其他的老化偵測器，其所做的監視則用於決定和儲存一或多個老化特徵或其組合。
特徵的評估舉例而言可以發生於現場之電路的每個開始程序。
對於安全為關鍵的應用來說，評估附帶而言也可以當場永久的進行或者在現場以規則的時間來進行。
當進行評估時，該評估可以由積體電路來做內部控制或者由控制裝置來做外部控制。
在此背景下，它也可以是當中分別安裝了元件或積體電路的控制裝置。於具有多個控制裝置的應用，舉例而言於汽車領域，另一控制裝置也可以接管這控制。
於某些釋例性具體態樣，附帶或替代選擇而言則有可能從外面來觸發評估，舉例而言是在檢視或維修期間，舉例而言經由序列周邊介面(serial peripheral interface，SPI)或其他通訊介面來為之，後者舉例而言例如行動無線電、行動網際網路或其他無線電科技而搭配車輛內部通訊。
在評估期間，這些特徵與回應門檻做比較。特定的回應門檻可以分別在多樣的時點來定義或調適。
釋例性時點包括：晶圓測試或最終測試之時、在安裝於控制裝置中以與元件通訊之後，在安裝於車輛或其他應用物體中之後，維修或檢視之時、連續操作或停車模式中的操作之時。
在安裝於控制裝置中之後，則發生評估，其舉例而言經由SPI、行動無線電或其他無線電科技來為之，舉例而言這搭配車輛內部通訊。
起初分別基於特定於老化的元件參數之模擬或合格資料來決定回應門檻。
於老化特徵持續改變的情形(舉例而言例如參數飄移)，為此則在元件測試(舉例而言以AEC-Q100來進行)做出結論之後來評估監視的特徵，並且測試的參數範圍基於其最大值來建檔。舉例而言，老化特徵P的飄移(和/或位移)△P=PE-P0是在測試期間定出特徵。就一系列而言，現在從起初於元件測試期間所測量之P初始的數值來決定回應門檻PRS，並且測試期間的飄移特徵在於：PRS=P初始+0.9×△P。指定比例因素(本範例為0.9)的方式則致使在超過測試參數範圍之前可以在操作中有及時的警告。
於特徵呈計數器形式的情形，基於負載小冊子所指定的發生頻率來指定回應門檻，該頻率已經在測試中確認過。
在相對於狀態變數(舉例而言為溫度)而警告的情形，它們是基於負載小冊子所指定的最大值而指定。為此，偵測器訊號(舉例而言為電流或電壓溫度二極體)必須在元件測試期間做對應的校正。這可以如下來做：在不同的溫度(典型而言為25℃室溫和140~150℃高溫)測量偵測器訊號，並且將呈導出溫度係數之形式的溫度特徵儲存於元件記憶體中。替代選擇而言，回應門檻可以直接從高溫訊號(舉例而言為在150℃的二極體電流)導出。為此，首先在測試元件上定出的特徵是：在元件測試期間(舉例而言為150℃)所用的測量溫度在想要的溫度門檻(舉例而言為180℃)，二極體電流I180要比二極體電流I150高出多少。在這修正因素KF=I180/I150的輔助下以及在元件於150℃測試期間的起始測量值P起初，回應門檻可以導出如下：PRS=P起初×KF。
附帶而言，例如車輛、控制裝置、安裝地點、維修間隔、已知的環境參數(舉例而言為預期溫度)之特定於應用的資訊可以用於決定回應門檻。定義回應門檻的目的在於在發生元件為關鍵的錯誤之前先觸發警報。
再者，回應門檻也可以起初是未定義的，也就是說沒有數值。於此情形，起初持續決定老化特徵而不與回應門檻做比較，並且回應門檻僅在稍後時點才決定。
在安裝之後，老化特徵可以規律的讀出。釋例性的讀出時點包括維修和檢視之時、連續操作或停車模式中的操作之時。讀出舉例而言可以經由SPI、行動無線電或其他的無線電科技來做，舉例而言搭配車輛內部通訊。
以這方式所收集的老化資料可以做特定於元件和特定於應用的評估，並且用於進一步調適回應門檻。
附帶而言，關於晶圓處理或封裝期間或個別生產批次、晶圓或元件的運輸期間之故障的資訊可以後續用於調適回應門檻。
再者，指向元件可能之故障情形的所有其他資訊，可以用於調適回應門檻。
對於抵達或超過回應門檻之回應的類型可以做不同的定義。
釋例性回應包括：無回應；元件或個別功能群組的去活化；檢視或維修期間的警告；在連續操作中經由警告訊號產生器(舉例而言為黃或紅警告燈)來對使用者警告；舉例而言經由SPI、行動無線電或其他無線電科技(舉例而言搭配車輛內部通訊)來對元件的製造商警告。
回應的類型可以分別在多樣的調適時點來定義或調適。釋例性調適時點包括：晶圓測試或最終測試之時、在安裝於控制裝置以與元件通訊之後、在安裝於車輛或其他應用標的中之後、維修或檢視之時、連續操作或停車模式中的操作之時。
於圖1，顯示的是依據本發明的釋例性具體態樣所監視之元件100的方塊圖。元件100包括評估單元10、用於老化的偵測器20-1……20-x、用於元件為關鍵的應用之偵測器30-1……30-y。評估單元10在這情形下與用於老化的偵測器20-1……20-x以及用於元件為關鍵的應用之偵測器30-1……30-y來通訊，其較佳而言但未必是雙向通訊。評估單元10與關聯的控制裝置、插入元件100的應用物體、應用物體外的裝置來通訊，其再度較佳而言但未必是雙向通訊。
於圖2，顯示的是根據本發明的釋例性具體態樣來監視元件之控制裝置200的方塊圖。
控制裝置舉例而言包括二個被監視的元件100-1、100-2和一個控制單元40。控制單元40與被監視元件100-1、100-2的評估單元來通訊，其較佳而言但未必是雙向通訊。控制單元40也與插入元件100的應用物體以及應用物體外的裝置來通訊，其再度較佳而言但未必是雙向通訊。
圖3顯示調適回應門檻的範例。ASIC藉由感測器30而監視例如多樣的老化機制(測量曲線310-1，310-2……310-n，這藉由個別的感測器A來為之)和/或關鍵的狀況(測量曲線320-1、320-2……320-n，這藉由個別的感測器B來為之)，而ASIC用於現場300中的多樣車輛10-1，10-2……10-n中。於規律服務和/或發生故障的情形，在服務操作400連同ASIC的 識別碼(ID)來讀出這些感測器。從這些現場資料與來自生產操作500之生產資料的關聯600，則可以識別出易受影響的生產批次。舉例而言，當抵達感測器B的降低門檻時，來自特定生產期間的所有ASIC可能已經未預期的失效。就系統可以在抵達新定義的失效範圍之前及時發送警告給駕駛人的程度而言，基於這評估，感測器B的門檻可以在下次服務期間降低或者作為召回的一部分。
圖4顯示老化特徵P在元件測試期間從起始值Po到結束值PE的位移△P範例。舉例而言，供應到現場之元件所關聯的回應門檻PRS可以從其起始測量值P起始和特徵化的位移△P而導出如下：PRS=P起始+0.9×△P。
10-1、10-2、10-x‧‧‧評估單元
20-1、20-2、20-y‧‧‧用於老化的偵測器
30‧‧‧用於元件為關鍵的應用之偵測器
100‧‧‧元件

Claims (9)

  1. 一種用於電路元件(100、100-1、100-2)以監視電路元件(100、100-1、100-2)之老化的評估單元(10)，其包括至少一輸入，以偵測該電路元件(100、100-1、100-2)之特定於老化的參數，該評估單元(10)建構成至少回應於該特定於老化的參數違背決定的回應門檻而觸發回應；該評估單元(10)的特徵在於：該評估單元(10)也建構成偵測在該電路元件之生產期間的生產資料，並且使用該生產資料以調適該回應門檻和/或該回應。
  2. 根據申請專利範圍第1項的評估單元(10)，其中該特定於老化的參數是該電路元件(100、100-1、100-2)的應用之頻率和/或持續時間。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項的評估單元(10)，其中該評估單元(10)包括至少一輸出，並且建構成該輸出對該電路元件(100、100-1、100-2)施加電壓，也建構成該輸入偵測回應於施加電壓之電阻。
  4. 根據申請專利範圍第3項的評估單元(10)，其中該電阻用於監視電遷移。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項的評估單元(10)，其中該評估單元(10)包括至少一輸出，並且建構成該輸出對該電路元件(100、100-1、100-2)施加電壓，也建構成該輸入偵測回應於施加電壓之門檻電壓飄移。
  6. 根據申請專利範圍第5項的評估單元(10)，其中該門檻電壓飄移用於監視金屬氧化物半導體(MOS)電晶體的負偏壓溫度不穩定(NBTI)效應。
  7. 一種監視電子電路元件之老化的方法，其具有以下步驟：決定至少一特定於老化的參數， 決定關聯之特定於參數的回應門檻，以及至少回應於該決定的參數違背該回應門檻而觸發回應，並且調適該回應門檻和/或該回應；該方法的特徵在於：調適該回應門檻和/或該回應的步驟中，偵測在電路元件之生產期間的生產資料，並且使用該生產資料以調適該回應門檻和/或該回應。
  8. 一種電路元件(100、100-1、100-2)，其包括根據申請專利範圍第1到6項中之任一項的評估單元(10)。
  9. 一種用於車輛的控制裝置(200)，其包括根據申請專利範圍第8項的電路元件(100、100-1、100-2)。
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