专利名称：用于电子元器件的温度应力极限评估方法
技术领域：
本发明涉及电子元器件应用极限评估方法，具体涉及电子元器件的温度应力极限评估方法。
背景技术：
随着我国航天科技工业的飞速发展，一系列国家重大专项的实施，对配套的元器件的性能、功能和可靠性有了更高的要求。同时，元器件生产制造方的设计思路也在改变， 从“单纯满足合同要求”向“尽可能加大产品耐应力裕度，保证使用中不出故障”转变。因此为达到更高的宇航元器件可靠性要求，应了解元器件承受应力等的范围或界限，掌握所选用的元器件实际能力与其厂家详细规范所标注的能力之间的裕度。这有助于采购方选择质量保证能力强的航天型号使用元器件的供应商，从用户方角度保证选用元器件的高可靠性。同时，对宇航用元器件实际能力的摸底可以掌握其设计或应用裕度等可靠性信息，并且可根据摸底过程中元器件暴露的薄弱环节，重点增加鉴定试验的批次和项目，通过提高鉴定试验的条件筛选门槛来保证高可靠性宇航元器件的选用。基于这样的背景需求，我国宇航元器件可靠性领域亟待一套成熟的技术和工程化的标准体系。国外一些较为先进的电子元器件可靠性保证实验室在20世纪90年代初就已经开展了这方面的研究工作，当时国内尚没有开展这方面较完善的研究。目前，一种新的元器件可靠性评价技术——宇航元器件极限评估技术在国内被提出。宇航元器件极限评估技术，是针对分析元器件应用中所关注的相关功能、性能和可靠性与规范之间要求的裕度和余量，以及在设计、材料或工艺方面的潜在缺陷，采用高加速应力和持续应力的方法以获得极限能力，评估元器件在热、力、 电等应力作用下可承受的应力极限值和失效模式，综合评价元器件极限能力的全过程。该技术评估的极限包括规范极限、固有极限、可用极限和破坏极限四种极限。规范极限是指元器件详细规范或手册中所给出的应力绝对最大额定值，元器件在该极限内工作不会出现性能参数超差或功能失效。固有极限是指元器件在规定时间的应力条件下，不出现性能参数超差或功能失效。固有极限表征了元器件承受应力的实际能力，其判据取自元器件规范，合格产品的固有极限应不小于规范极限。可用极限是为满足用户使用可靠性要求所必需的元器件固有极限的最小值，判据一般由用户设定。破坏极限则是指元器件在规定时间的应力条件下，不产生不可恢复的功能或性能失效时的临界应力值。电子元器件在宇航环境中往往面对着严酷的温度应力，而温度应力又是电子元器件的敏感应力之一。因此研究电子元器件的温度极限评估显得尤为重要。

发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种电子元器件的温度应力极限评估方法， 为研究电子元器件的温度极限评估提供了有效途径，解决了现有技术中存在的技术问题。为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案 一种用于电子元器件的温度应力极限评估方法，包括以下步骤步骤1，样品选取；
步骤2，对样本进行初始电测试，各项指标参数应当满足详细规范；步骤3，将样本分为两组对比组和试验组；对比组用于与试验组进行对比，当对试验组的样品进行电测试的时候，对比组的样品也需要进行电测试；
步骤4，对试验组样品施加温度应力，进行温度应力极限评估试验；步骤5，数据分析并得出结论；所述的步骤4需要先确定以下参数
确定施加温度起始点，温度起始点设置在20°C至30°C范围或者在试验样品可靠性有充分保证的前提下，可以设置为接近规范极限的温度；
确定温度应力的上下限温度应力的下限选取不高于元器件详细规范中规定的最低温度；温度应力的上限选取不低于元器件工作环境中可能遇到的最高温度应力；
确定温度的步进增量或减量，刚刚开始升温或降温时，选取的初始温度步长增量或初始温度步长减量稍大；当施加温度达到元器件规范极限后，温度步长增量或减量减小；确定温度应力施加停留时间，保持时间最小为10分钟，确保样品的温度达到预设温
度；
在温度应力实验参数设定已经确定的前提下，步骤4具体包括以下过程步骤4-1，将器件放入测试设备；步骤4-2，将测试设备调至指定温度；
步骤4-3，待测试设备达到制定温度后，停留至少lOmin，以保证器件达到该温度；步骤4-4，对元器件进行电测试；
步骤4-5，记录元器件电测试数据，判断元器件是否失效；步骤4-6，如果元器件失效，对元器件进行失效分析；
步骤4-7，当有50%的器件探测到所需极限时，试验中止，否则调整温度应力后试验继续。更进一步的是
所述的步骤包括
步骤4-2-1，根据采用步进的应力实验参数，对于实验数据的选取要方便结果分析，在距离研制方给定的规范极限温度较远时采用大的步幅，当接近研制方给定的规范极限温度时采用小的步幅，能够充分地减少实验时间并且使实验结果更加地逼近样品的真实固有极限，用于分析实验结果的实验数据也按照此原则选取，则更有针对性；
步骤4-2-2，元器件初始测量数据符合设计规范要求，实验样品在应力步进过程中首先参数超过规范要求，达到固有极限判据，继续步进应力，可达到不可恢复的失效模式，即达到破坏极限。所述的电子元器件为GaAs微波单片集成功率放大器电路芯片，其频率范围覆盖8. 5 — 11GHz，小信号增益大于15dB;其待测参数为输出功率、漏电流、信号增益值以及效率；
在进行实验之前，先确定以下参数
本实验为高温实验，且起始温度为20°C ；温度步进量距离研制方给定的产品规范极限温度较远时取初始步进温度值为10°C每步；当温度接近于研制方给定的规范极限温度时取后期步进温度值5°C每步，保温时间每步设定为10分钟，温度步进应力持续增加，直到达到高温极限温度，高温的极限温度以实验样品出现可恢复故障的温度或温度实验箱极限值为止；
在确定的实验参数后进行以下内容
芯片样品在实验和测试中电源电压始终保持在详细规范规定值上，即Vd=8V，Vg=_5V，最高输入功率不超过+23dBm ；
A.高温极限评估实验中，在元器件详细规范中规定的工作温度范围内选取了9个温度点，分别为20°C、30°C、40 V、50°C、60 V、70°C、75 V、80°C、85 V ；每个温度值采集一组数据，输入为微波信号输入；由于测试仪器设备中的微波信号线难以在超过温度范围的高温下正常工作，因此从90° C开始只采集静态电流，采集范围90°C、95°C、10(TC、105°C、 IlO0C>115°C>120oC>125°C ；
B.详细规范给出该芯片的频段为8.5 — 11GHz，通过对芯片测试系统进行设定，采取间隔为500MHz对整个频段的数据进行采集，为留出余量，从8GHz采集到11. 5GHz :8GHz、 8. 5GHz、9GHz、10GHz、10. 5GHz、IlGHz、11. 5GHz ；每个频率值对应一组数据；
C.输入信号功率采点为10—22dBm，每隔Icffim采集一组数据；
D.每组数据包括的关键性能指标有输入功率Pin、输出功率P。ut、信号增益值Gp、效率 nadd、静态电流ido 所述的电子元器件还可以为微波固态功率管，其频率范围覆盖3. 6 — 4.0GHz，小信号增益大于12dB ；其待测参数为输出功率、漏电流、饱和电流、跨导、夹断电压、栅极截止电流；
在进行实验之前，先确定以下参数
本实验为高温实验，高温实验起始温度选为25°C，下一个温度节点为30°C。步进量在温度距离研制方给定的产品规范极限温度较远时取初始温度步进值为10°C每步；当温度接近于研制方给定的规范极限温度时取后期温度步进值为5°C每步或更小，保温时间为每步设定为10分钟，高温的极限温度以实验样品出现可恢复故障的温度或温度实验箱极限值为止；
在确定实验参数后进行以下内容
A.高温极限评估实验中，选取了 34个温度点，进行交流参数测试，由于超出技术规范极限之后，获得的器件参数仍然正常，因此为了缩短实验时间，提高实验效率，后期加大了温度步进步长，到达^(TC之后测试设备已经无法承受，因此实验停止；这些温度点分别为25°C、30°C、40°C、50°C、60°C、70°C、75°C、8(rC、85°C、87°C、9(rC、10(rC、12(rC、14(rC、 160 "C >180 "C >200 "C >220 "C >240 "C >260 "C >270 "C >280 "C >290 "C >300 "C >320 "C >330 °C、 335°C >350°C >370°C >390°C >420°C >450°C >500°C >550°C ；每个温度值采集一组数据，输入为微波信号输入；
高温极限评估实验中，选取了沈个温度点，进行直流参数测试；由于超出技术规范极限之后，获得的器件参数仍然正常，因此为了缩短实验时间，提高实验效率，后期加大了温度步进步长，到达260°C之后测试设备已经无法承受，因此实验停止；25°C、30°C、4(TC、 50 "C >60 "C >70 "C >75 "C >80 "C >85 "C >87 °C >89 °C >91 "C >93 V、100 V、120 V、140 V、150 V、 170°C、190°C、200°C、210°C、220V、230 V、240 V、250V、260 V，每个温度值采集一组数据，测试条件为直流测试条件；
B.详细规范给出该芯片的频段为3.6-4. 0GHz，为了提高实验效率并体现温度对器件的影响，交流参数只在f=3. 8GHz进行测试；
C.输入信号功率固定为MdBm；
D.每组交流参数中的关键性能指标有输出功率、漏电流；每组直流参数中的关键性能指标有饱和电流、跨导gm、夹断电压Vgs、栅极截止电流Igss。所述的电子元器件还可以为FPGA芯片；其待测参数为核心供电静态电流、辅助供电静态电流、静态工作电流、引脚漏电流、指示灯状态、功能测试；
在进行实验之前，先确定以下参数
本实验为高温实验，高温实验起始温度为60°C，步进量取5°C每步，保温时间为温度稳定时间加测试时间，本实验保温时间每步设定为10分钟；温度步进应力持续增加，直到达到高温极限温度。高温的极限温度以实验样品出现可恢复故障的温度或温度实验箱极限值为止；
在确定实验参数后进行以下内容
芯片样品在实验和测试中电源电压始终保持在详细规范规定值上，即Vint=L 200V，Vaux=2. 500V, VI0=2. 500V ；
高温极限评估实验中，在温度范围内每隔5°C选取1个温度点，每个温度值停留10分钟后采集一组数据，并进行功能测试；
A.进行电特性测试，记录核心供电静态电流Iint、辅助供电静态电流IAUX、IO供电的静态工作电流Im，引脚到地漏电流込；
B.进行功能测试，包括DLL功能测试，PS功能测试，BRAM全0、全1、0/1功能测试，IOB功能测试，配置功能测试；
C.超过推荐工作条件后选取23号样品进行不加电温度步进测试，步进值25°C；选取沈号进行加电温度步进测试，步进值5°C。与现有技术相比，本发明的有益效果是
1.采用温度步进方式进行极限评估试验，得到的器件极限能力更逼近真实值；
2.可以暴露元器件有效失效模式，以便改进器件设计；
3.给出了方法探测元器件承受应力的限度和范围，满足更高的宇航元器件可靠性要
求；
4.掌握元器件实际能力与规范描述之间的裕度，为用户方保证选用元器件的高可靠性。


图1为本发明中涉及到的四种极限概念的关系图；图2为本发明实施例1的温度实验参数设计示意图；图3为本发明实施例1的高温极限评估实验数据分析图；图4为本发明实施例2的温度与输出功率关系图；图5为本发明实施例2的温度与栅极截止电流关系图；图6为本发明实施例3中采纳23号芯片的不加电高温极限评估实验静态电流数据分析图7为本发明实施例3中采纳沈号芯片形成的加电高温极限评估实验静态电流数据分析图8为本发明实施例3中采纳沈号芯片的加电高温极限评估实验IOB漏电流数据分析图。
具体实施例方式现将本文件中所涉及到的概念进行解释，以便于对本文的理解。在本文中，极限评估的主要目的是探测和获得元器件在电应力作用下可承受的应力极限值(简称极限)，并评价极限的合理性。由于评判标准存在可选择性和元器件在应力下的表现存在梯度差异，所以极限评估中的“极限”也可细致划分，便于研究。1、极限的概念
本文中的极限是指元器件在规定时间的应力条件下，满足规定要求的临界应力值，包含规范极限、固有极限、可用极限和破坏极限四种极限，其中，规范极限和可用极限是预设的指标，属于指标层；固有极限和破坏极限的确定需设定判据，属于判据层。这四种极限的关系如图1所示。1.1指标层极限
由于规范极限和可用极限的评判要参考元器件指标，因此归属于指标层范畴。规范极限是由元器件规范给出的应力绝对最大值，元器件预期在该极限内工作不会出现性能参数超差或功能失效。这里的元器件规范可以是元器件的详细规范，也可以是总规范或通用规范等标准文件。不限定为单一元器件规范的目的是为了对不同型号的同类元器件进行横向比较。一般情况下，元器件在规范极限之内应用。可用极限是为满足用户使用可靠性要求所必需的元器件的固有极限最小值。可用极限提出了对固有极限的最低要求，正常情况下固有极限应不小于可用极限，如果固有极限小于可用极限，则元器件预期不能满足用户使用可靠性要求。可用极限也为极限评估试验提供了一个可供选择的试验截止条件。1.2判据层极限
元器件在规定时间的应力条件下，不出现性能参数超差或功能失效时对应的临界应力值，称为固有极限。固有极限表征了元器件承受应力的实际能力，其判据取自元器件规范， 合格产品的固有极限应不小于规范极限。固有极限与规范极限的差值指示了元器件满足规范的裕度，该裕度的增加有助于提高可靠性，但裕度过大往往需要付出制造成本大幅增加的代价，而对可靠性提高却作用有限，因此裕度适当即可。破坏极限则是指元器件在规定时间的应力条件下，不产生不可恢复的功能或性能失效时的临界应力值。在解释了相关概念之后，再详细叙述本发明专利的具体实施情况 实验范围及目的
高温步进极限评估实验旨在考验热应力对元器件的影响，摸底元器件所能承受的最高温度。低温步进极限实验方法和高温步进实验类似，在此就不做叙述了。本次高温步进极限评估实验对象选择为实施例1 :GaAs微波单片集成功率放大器电路芯片。实施例2 微波固态功率管。实施例3 数字通信芯片FPGA。三个实施例，分别应用三种实验对象，各具代表性，能对探求元器件高温极限的实验方法进行研究和验证。高温步进应力实验应该从环境温度(一般为20到30摄氏度，也可以是根据元器件特性选择的初始温度或者在试验样品可靠性有充分保证的前提下，可以设置为接近规范极限的温度)开始；在无特殊要求的前提下，步进增量最大为10摄氏度，对于温度敏感设备或组件应根据试件具体情况选用较小的步进增量；保持时间最小为10分钟，以达到样品设置温度的稳定。温度步进应力实验持续进行，直到确定出样品的固有极限，然后持续到超过固有极限直到破坏极限或实验箱最大值。超过固有极限后，由于样品不能工作，需要在两次保持之间减小温度应力以确定样品是否依然能有效工作，也就是返回到固有极限之下的某一温度。降温或升温开始阶段，选取的步长可以大一些，如选15摄氏度，等接近极限时步长可以减小到10摄氏度以下，例如5摄氏度或者更小，因此，这里的步进应力实验实际上是变步长的步进方式。保温时间也可视产品的实际情况适当延长以确保试件的温度浸透。温度步进实验可以确定固有温度极限和破坏温度极限。1
本实施例中，选用GaAs微波单片集成功率放大器电路芯片作为样品。1、实验样品的测试，
待测参数
权利要求
1.一种用于电子元器件的温度应力极限评估方法，包括以下步骤 步骤1，样品选取；步骤2，对样本进行初始电测试，各项指标参数应当满足详细规范； 步骤3，将样本分为两组对比组和实验组；对比组用于与实验组进行对比，当对实验组的样品进行电测试的时候，对比组的样品也需要进行电测试；步骤4，对实验组样品施加温度应力，进行温度应力极限评估实验；步骤5，数据分析并得出结论；其特征在于所述的步骤4需要先确定以下参数确定施加温度起始点，温度起始点设置在20°C至30°C范围或者在实验样品可靠性有充分保证的前提下，可以设置为接近规范极限的温度；确定温度应力的上下限温度应力的下限选取不高于元器件详细规范中规定的最低温度；温度应力的上限选取不低于元器件工作环境中可能遇到的最高温度应力；确定温度的步进增量或减量，刚刚开始升温或降温时，选取的初始温度步长增量或初始温度步长减量稍大；当施加温度达到元器件规范极限后，温度步长增量或减量减小； 确定温度应力施加停留时间，保持时间最小为10分钟，确保样品的温度达到预设温度；在温度应力实验参数已经确定的前提下，步骤4具体包括以下过程 步骤4-1，将器件放入测试设备； 步骤4-2，将测试设备调至指定温度；步骤4-3，待测试设备达到制定温度后，停留至少lOmin，以保证器件达到该温度； 步骤4-4，对元器件进行电测试；步骤4-5，记录元器件电测试数据，判断元器件是否失效； 步骤4-6，如果元器件失效，对元器件进行失效分析；步骤4-7，当有50%的器件探测到所需极限时，实验中止，否则调整温度应力后实验继续。
2.根据权利要求1所述的用于电子元器件的温度应力极限评估方法，其特征在于所述的步骤包括步骤4-2-1，根据采用步进的应力实验参数，对于实验数据的选取要方便结果分析，在距离研制方给定的规范极限温度较远时采用大的步幅，当接近研制方给定的规范极限温度时采用小的步幅，能够充分地减少实验时间并且使实验结果更加地逼近样品的真实固有极限，用于分析实验结果的实验数据也按照此原则选取，则更有针对性；步骤4-2-2，元器件初始测量数据符合设计规范要求，实验样品在应力步进过程中首先参数超过规范要求，达到固有极限判据，继续步进应力，可达到不可恢复的失效模式，即达到破坏极限。
3.根据权利要求2所述的用于电子元器件的温度应力极限评估方法，其特征在于所述的电子元器件为GaAs微波单片集成功率放大器电路芯片，其频率范围覆盖8. 5-1 IGHz， 小信号增益大于15dB ；其待测参数为输出功率、漏电流、信号增益值以及效率；在进行实验之前，先确定以下参数本实验为高温实验，且起始温度为20°C ；温度步进量距离研制方给定的产品规范极限温度较远时取初始步进温度值为10°C每步；当温度接近于研制方给定的规范极限温度时取后期步进温度值5°C每步，保温时间每步设定为10分钟，温度步进应力持续增加，直到达到高温极限温度，高温的极限温度以实验样品出现可恢复故障的温度或温度实验箱极限值为止；在确定的实验项目参数后进行以下内容芯片样品在实验和测试中电源电压始终保持在详细规范规定值上，即Vd=8V，Vg=-5V，最高输入功率不超过+23dBm ；高温极限评估实验中，在元器件详细规范中规定的工作温度范围内选取了 9个温度点，分别为20°C、30°C、40 V、50°C、60 V、70°C、75 V、80 V >85°C ；每个温度值采集一组数据，输入为微波信号输入；由于测试仪器设备中的微波信号线难以在超过温度范围的高温下正常工作，因此从90° C开始只采集静态电流，采集范围90° C、95° CUOO0 C、 105° CUlO0 C、115° C、120° C、125° C ；详细规范给出该芯片的频段为8. 5 — 11GHz，通过对芯片测试系统进行设定，采取间隔为500MHz对整个频段的数据进行采集，为留出余量，从8GHz采集到11.5GHz :8GHz、 8. 5GHz、9GHz、10GHz、10. 5GHz、IlGHz、11. 5GHz ；每个频率值对应一组数据；输入信号功率采点为10 — 22cffim，每隔Icffim采集一组数据；每组数据包括的关键性能指标有输入功率Pin、输出功率P。ut、信号增益值Gp、效率 nadd、静态电流ido
4.根据权利要求2所述的用于电子元器件的温度应力极限评估方法，其特征在于所述的电子元器件为微波固态功率管，其频率范围覆盖3. 6-4. OGHz,小信号增益大于12dB ； 其待测参数为输出功率、漏电流、饱和电流、跨导、夹断电压、栅极截止电流；在进行实验之前，先确定以下参数本实验为高温实验，高温实验起始温度选为25°C，下一个温度节点为30°C，步进量在温度距离研制方给定的产品规范极限温度较远时取初始温度步进值为10°C每步；当温度接近于研制方给定的规范极限温度时取后期温度步进值为5°C每步或更小，保温时间为每步设定为10分钟，高温的极限温度以实验样品出现可恢复故障的温度或温度实验箱极限值为止；在确定实验参数后进行以下内容高温极限评估实验中，选取了 34个温度点，进行交流参数测试，由于超出技术规范极限之后，获得的器件参数仍然正常，因此为了缩短实验时间，提高实验效率，后期加大了温度步进步长，到达^(TC之后测试设备已经无法承受，因此实验停止；这些温度点分别为25°C、30°C、40°C、50°C、60°C、70°C、75°C、8(rC、85°C、87°C、9(rC、10(rC、12(rC、14(rC、 160 "C >180 "C >200 "C >220 "C >240 "C >260 "C >270 "C >280 "C >290 "C >300 "C >320 "C >330 °C、 335 °C >350°C >370°C >390°C >420°C >450 °C >500°C >550°C ；每个温度值采集一组数据，输入为微波信号输入；高温极限评估实验中，选取了沈个温度点，进行直流参数测试；由于超出技术规范极限之后，获得的器件参数仍然正常，因此为了缩短实验时间，提高实验效率，后期加大了温度步进步长，到达260°C之后测试设备已经无法承受，因此实验停止；25°C、30°C、4(TC、 50 "C >60 "C >70 "C >75 "C >80 "C >85 "C >87 °C >89 °C >91 "C >93 "C、100 "C、120 "C、140 "C、150 "C、170°C、190°C、200°C、210°C、220°C、230°C、240°C、250°C、260V，每个温度值采集一组数据，测试条件为直流测试条件；详细规范给出该芯片的频段为3. 6-4. 0GHz，为了提高实验效率并体现温度对器件的影响，交流参数只在f=3. 8GHz进行测试； 输入信号功率固定为Mcffim;每组交流参数中的关键性能指标有输出功率、漏电流；每组直流参数中的关键性能指标有饱和电流、跨导gm、夹断电压Vgs、栅极截止电流Igss。
5.根据权利要求2所述的用于电子元器件的温度应力极限评估方法，其特征在于所述的电子元器件为FPGA芯片；其待测参数为核心供电静态电流、辅助供电静态电流、静态工作电流、引脚漏电流、指示灯状态、功能测试； 在进行实验之前，先确定以下参数本实验为高温实验，高温实验起始温度为60°C，步进量取5°C每步，保温时间为温度稳定时间加测试时间，本实验保温时间每步设定为10分钟；温度步进应力持续增加，直到达到高温极限温度；高温的极限温度以实验样品出现可恢复故障的温度或温度实验箱极限值为止； 在确定实验参数后进行以下内容芯片样品在实验和测试中电源电压始终保持在详细规范规定值上，即Vint=L 200V, Vaux=2. 500V, VI0=2. 500V ；高温极限评估实验中，在温度范围内每隔5°C选取1个温度点，每个温度值停留10分钟后采集一组数据，并进行功能测试；进行电特性测试，记录核心供电静态电流Iint、辅助供电静态电流IAUX、I0供电的静态工作电流Im，引脚到地漏电流込；进行功能测试，包括DLL功能测试，PS功能测试，BRAM全0、全1、0/1功能测试，IOB功能测试，配置功能测试；超过推荐工作条件后选取23号样品进行不加电温度步进测试，步进值25 °C ；选取沈号进行加电温度步进测试，步进值5°C。
全文摘要
一种用于电子元器件的温度应力极限评估方法，包括如下步骤对样本进行筛选；对样本进行初始电测试，各项指标参数应当满足详细规范；对样本分为两组控制组和测试组；控制组用于与测试组进行对比。当对测试组的样品进行电测试的时候，控制组的样品也需要进行电测试。对测试组样品施加步进温度应力，进行温度应力极限评估试验；数据分析并得出结论。本发明的有益效果是采用温度步进方式进行极限评估试验，得到的器件极限能力更逼近真实值。可以暴露元器件有效失效模式，以便改进器件设计。给出了方法探测元器件承受应力的限度和范围，满足更高的宇航元器件可靠性要求。掌握元器件实际能力与规范描述之间的裕度，保证了选用元器件的高可靠性。
文档编号G01R31/00GK102565596SQ20121002678
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月8日 优先权日2012年2月8日
发明者付琬月, 姜宝钧, 张小川, 张洪伟, 徐军, 毋俊玱, 董宇亮 申请人:中国空间技术研究院, 电子科技大学