ALTERA可靠性报告-中文.doc

可靠性报告51 Q1 2011XXX翻译、批注公司权利声明（略）目录概述 Altera的质量体系 图1：典型制造流程可靠性试验方法 表1：可靠性认证要求 表2：可靠性监控流程 寿命测试：方法和失效率预测 寿命试验方法 失效率预测 表3：常见失效机理和加速系数寿命测试结果（以某族为例） Stratix IV,ArriaII GX和HardCopy III/IV 40nm族高温存储试验回流焊模拟及湿气预处理耐湿加速试验 高压蒸煮试验（AC） 无偏强加速应力试验（Unbiased HAST）有偏温湿度试验（THB） 强加速有偏温湿度试验（HAST）温度循环焊接可靠性概述Altera致力于设计并制造可编程逻辑器件（PLDs），Altera提供丰富的PLDs，帮助用户实现特定的数字逻辑功能。器件的详细说明请参考相应的数据手册。产品信息，比如器件架构，详细的封装信息，使用和表面贴装的指引，和产品变更通知，请查阅以下的网页： 。Altera的文献可使用Adobe Acrobat或PostScript软件打开。 Altera的技术支持信息可以从网站产寻：/myaltera/mal-index.jsp 。Altera的在线技术支持系统和Altera知识库，可以帮助你找到技术问题的答案。另外，常见的问题，还可以通过Altera维护的免费热线电话获得解决：800-800-EPLD（U.S.以外地区呼入：1-408-544-8767）。 Altera建立了质量和可靠性的监控体系，符合ISO9001:2008，MIL-I-45208，和JEDEC等标准的要求。Altera和其所有的主要供应商都通过了ISO9000认证。Altera的可靠性认证和监控体系同时满足内部规范。1994年10月，Altera首次通过了ISO9001认证，核准方是NSAI（爱尔兰国家标准局）。 Altera的企业使命是要成为领先的可编程逻辑芯片解决方案，IP核，以及相关软件开发工具，和技术支持的首选供应商。Altera将利用这一优势，获得更大的逻辑IC市场市场份额。为实现和保持首选供应商地位，必须及时提供符合成本效益，领先全球的解决方案，同时不断满足或超过客户对我们的质量，可靠性和服务的期望。Altera质量体系Altera质量体系的设计满足ISO9001的所有要求，并在质量手册11G-00000里做了描述。Altera的质量体系同时通过了全球主要客户的评审。Altera保持完整的在线文档控制和计算机辅助制造系统以控制产品制造。内部规范和JEDEC保持一致。计算机辅助制造系统使得制造和封装据有可追溯性。同时建立工程师网络随时解决客户在质量和可靠性方面的问题。Altera有能力提供汽车级别的高质量高可靠性的产品，因为主要的制造合作伙伴台积电（TSMC）、先进（ASE）、以及安靠（AMKOR）都通过了ISO/TS16949标准。Altera对产品的测试和制造执行全面的质量控制。图1是典型的产品制造流程。可靠性试验方法可靠性认证和监控以产品族为基本单位实施。一个产品族内部，各成员使用基本相同的逻辑电路，嵌入式存储单元，和可编程的互连技术，以及相同的制造工艺，但是不同成员的densities（选择基础产品的部分功能？）不同，并使用不同的封装形式。一个产品族一般有2-10个成员。出于可靠性目的的数据和失效率预测，以相同工艺（存储器类别和特征尺寸）的一个产品族为基本单元报告。 产品族的认证按表1的要求执行。可靠性监控的日程及要求按表2执行。产品族的认证包括对同族内不同的densities、封装和引脚数的成员的认证。如果一个新的成员加入一个产品族，而且逻辑电路增加了50%以上，这个新产品要特别执行认证。 在汽车市场上销售的产品同时满足AEC的标准AEC-Q100，该标准要求更大的试验样品数。Altera是AEC和AEC-Q100的成员之一。详细参考网站： 。 用于军事/宇航的产品同时满足AQEC标准（GEIA-Std-0002-1）的要求。Altera是第一家宣布符合这个标准的半导体供应商。本标准强调IC供应商和军事/宇航承包商之间的沟通。 客户要注意Altera的产品变更通知系统上的信息，通知包括影响形式的变化，适应性和功能等。变更通知在网站（）上可以查询。客户同样可以在Altera的PCN（产品变更通知）的邮件列表上注册，从而获得邮件通知。/literature/updates/registration/upd-registration.jsp可靠性监控按一定的规律执行，以保证Altera的测试和工艺没有发生偏移。可靠性监控同样以产品族为单位。族内的不同产品和封装形式按后进先出（LIFO）的时间顺序执行可靠性监控。本报告的结果涵盖过去24个月的数据（为什么是24个月呢？）。寿命试验：方法和失效率预测寿命试验方法Altera通过高温/高电压实现失效机理的加速。通过提高环境温度使得结温至少升高到125，以及通过提高电压，通常比正常电压高10-20%，来实现失效机理的加速。某些情况下，因为热失控问题，不能把结温提高到125，则至少提高到110。用于寿命试验的板卡配置了特殊的耐高温插槽，可以保证引脚连接的完整性。FLEX等使用BI试验模式。65/60nm和40nm通过输入时钟使用动态寿命试验（这两种的区别是什么？但是目的都是使芯片内部的各单元出于工作状态）。MAX3000等搭载EEPROM或FLASH模块的产品在寿命试验之前先进行100次的编程/擦除试验。试验前的每个芯片都使用生产测试设备按照数据手册规定的内容进行了测试。所有的结果都通过了数据手册的参数要求。如果芯片没有通过测试，则认为该芯片失效。对搭载有非易失性存储模块的器件（除了MAXII），要利用内置的测试模式测试浮栅上的电荷量。每一个bit都要测试，并且最小的裕度会记录下来。MAXII由于独特的设计，只有对擦除bit编程的时候会影响浮栅的电荷量，而已编程bit不会受到影响。验证MAXII的该功能时候，读出电流达到25uA还不会产生问题，虽然10uA就足以保证功能。失效率预测 Altera使用行业标准技术预测失效率。以指数分布为基础来预测失效率（常数）。 正如前面所说，通过提高温度以及电压来加速失效，整体的加速系数是温度加速系数乘以电压加速系数。 典型应用下的等效时间=（寿命试验小时数） * （加速系数） 加速系数=（温度加速系数）*（电压加速系数） 温度和电压加速系数基于标准的加速公式和参数（如，激活能）进行计算。标准是JEDEC出版的JEP122。公式会在下面给出，参数在表3。随着我们转移到了薄栅（7nm）技术领域，我们观察到电压加速系数更依赖于幂律法则。我们在65nm或更小的尺寸上使用幂律法则来确定栅氧的电压加速系数。 注意到在90nm以上的工艺，介质击穿的激活能都采用0.7eV。发表的论文表明现在氧化物的激活能高于以前报道的0.3eV。虽然0.3eV-0.9eV的值都被报道过，Altera通过多次的温度老化研究，验证了对于90nm工艺，0.7eV是合适的。在65nm工艺以及更低的工艺上需要采取不同的激活能值。（我们如果是.13工艺，也应采取0.7eV）。 在计算加速系数的场合，应使用器件结温，而不是环境温度。结温要通过试验时消耗的功率和典型应用时消耗的功率来计算。结温还跟封装的热阻有关，计算公式要参考相应封装的数据手册。为了方便，结温的计算公式已经列在下面。要注意的是，所有的温度都要转化为开尔文温度。开尔文温度=摄氏温度+273。温度加速系数=expEa/(k)(Toperation)-Ea/(k)(Tstress)K=波尔兹曼常数=8.62*10E-5 eV/KEa=激活能T=结温，开尔文温度K*T（eV）=0.0258*（摄氏温度+273）/298栅氧电压加速系数=exp（/(tox/10nm)）*（Vstress-Voperate）=电压指数参数（表3）中间介质层（IDL）加速系数=exp()(Vstress-Voperate)结温=（环境温度）+（功率）*Xja=(封装温度)+（功率）*Xjc Xja和Xjc可查封装的数据手册。失效率计算以产品族为基本单元（正如后面的表格一样）。器件的小时数由应力条件下的小时数通过上面的加速系数转换到典型工作条件下的小时数。典型工作条件如下：Vcc等于标称值，温度是55（环境温度）或70（结温）。 失效机理通过失效分析确定。对每一个应力下观察到的失效机理，都使用上面的公式和参数来计算相应加速系数。如果激活了两种失效机理，两种机理的失效率相加产生一个合并的失效率。如果没有失效产生，使用有最低加速系数的机理来计算失效率。 失效率用术语表示就是FIT（fialures in time），1FIT相当于10E+9个器件*小时内，有一个器件失效。Altera计算FIT遵循的标准是JESD85。 在失效数较小和样品数较少时，利用卡方分布（Chi-squared distribution）来预测置信度为60%时候的失效率，公式参考下面。其中卡方二次幂，由置信度和自由度确定（计算过程可参考可靠性_2-寿命试验方法.ppt）。 在指数分布的场合下，FIT和MTTF互为倒数。寿命试验结果（以某族为例）下面以某产品族的寿命试验数据为例，进行解读。结温时间器件小时=时间x器件数等效小时=器件小时*加速系数失效芯片对应的失效机理卡方2次幂，查表可求Sum值由失效率公式可求超薄栅TDDB的加速系数要用逆幂率公式疑问1：由器件小时计算等效小时的时候，如果器件小时相同的情况下为什么会有不同的等效小时。是因为个产品的应用条件（电压）不一样，而求得的加速系数不一样吗？疑问2：JEP122发布了一些失效机理的寿命计算公式，但是不包括所有的失效机理，如产生了没有列出的失效机理，怎么计算加速系数？另外，所有的加速公式里面还有一些参数，这些参数的值怎么求得？本文是在表里面列出来的，但是对于我们，这些参数可以通用吗？疑问3：如果发生失效，就要做失效分析，以确定是何种失效机理，但是可能存在失效无法明确的情况。所以本文中才有“怀疑是某种失效”或“假定为某种失效”等描述。是这样的吗？高温存储高温存储试验在150或更高温度下执行。该应力试验可以发现，1.因为金属间化合物IMC（InterMetallic Compound）形成而导致键合失效；2.数据挥发导致的非易失性存储器失效。非易失性存储器保存数据的能力是可靠性的关键所在。浮栅所充的电荷的泄漏量可以通过非易失性存储器内置的测试模块测试出来。EPROM和EEPROM的浮栅的电荷挥发在参考文件里作了明确的记载。回流焊模拟与湿气预处理表面贴装器件因为封装内部含有水汽，在回流焊的时候会因为水汽膨胀发生而失效。双列直插器件在焊接的时候，热扩散被PCB所屏蔽，而表面贴装器件会暴露在高温下。回流焊可以通过气相回流，红外回流和对流回流完成。Altera的回流焊请参考相应文档，分有锡（传统，即管脚是锡和铅的合金）和无铅两种。回流焊有预热、快速加热两阶段。Altera先按J-STD020D的要求把器件暴露在湿气环境下，然后让其在100%模拟的回流焊下处理3次。对传统的有锡器件，Altera先对器件进行150的2分钟预烘，然后温度每秒升高1-3，再在183以上保持至少1分钟，最高尖峰温度为220，对于体积不大于350立方毫米要达到235。对于无铅或满足RoHS指令（Restriction of Hazardous Substances，即关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令)的器件回流，Altera先在150-200下预加热90秒钟，然后以2-2.5/秒的速度升温，在217以上保持115秒，尖峰温度保持在245-260，器件样品数满足J-STD-020D。预处理和回流焊之后，器件要进行封装是否开裂的检查和电特性测试。器件接下来用于温度循环（TC，条件B）或温湿度偏压（THB）试验，以评估封装的可靠性。器件的预处理应力级别记录在TC和THB试验表格里。Altera器件的MSL印刷在包装器件的防潮袋上。加速耐湿试验评价器件的耐湿性，有4种不同程度应力的试验：1.有偏温湿度：THB85/85%RH；2.高压蒸煮：AC121/100%RH；3.有偏强加速应力：Biased HAST130/85%RH；4.无偏强加速应力：Unbiased HAST130/85%RH。4种试验都可以检测到金属腐蚀和湿气导致的数据挥发（对于易失性存储器器）。此外，THB和Biased HAST因为施加了偏压，所以还能检查电偶腐蚀（电偶腐蚀是一种原电池腐蚀，不需要通电即可发生，此处可能应该是电解腐蚀，存疑。）。按照JESD47F的建议，BGA封装不做AC试验，而代之以Unbiased HAST试验。AC（高压蒸煮）试验 AC试验把器件放置于121的饱和去离子蒸汽（saturated DI water steam）的环境下。在密封容器内，121的温度将导致2个大气压或15PSIG（压强单位，1PSIG = 0.00689Mpa）的蒸汽压强。Altera使用环境仓的温度控制功能来维持上述的应力环境。如果把压力控制在设定的点上，会导致温度的大幅波动并且蒸汽还会泄露到仓体以外（所以不需要设定压力？）。AC应力试验主要用于检测器件的金属部分的腐蚀。如果湿气侵入到了浮栅会导致电荷泄露，从而本测试也可以检测到非易失性存储器的数据挥发。Unbiased HAST（无偏强加速应力）试验 本试验把器件放置于130/85%RH的HAST试验的仓体之内。本试验因为未使用饱和蒸汽，所以不会有水凝结在器件表面。THB（有偏温湿度）试验 THB试验的条件一般是85/85%RH，以维持被测器件表面不会凝结有水。应力施加同时要对器件通电，但是要使功率保持较低的状态或者关-开循环以保证功率不会影响水汽凝结。典型的时间是1000-2000小时，其中1000小时用于质量认证。要使用不锈钢仓体和去离子水保证污染不会影响器件而导致错误的结果。 仓体设置好以后，开始升温，然后再调整湿度，以保证不会有水汽凝结。当温度和湿度达到平衡以后，再给被测器件上电。下电顺序按如下执行，目的还是为了防止水汽凝结：器件下电，湿度下降，温度下降。器件每隔500小时进行一次参数的测量。表面贴装器件在进行THB试验前，要已经做过了预处理和3次的回流焊模拟。HAST（有偏强加速应力）试验 HAST是Highly Accelerated Stress Testing的缩写，是THB的加速试验。试验在密封的不锈钢的仓体中进行，以保证满足压力要求。环境条件要求空气不是饱和的，以保证不会在器件上形成水气凝结。Altera的实验条件是：130/85%RH，这样相对于85/85%RH的试验已经加速了至少10倍。同时器件和THB实验一样也要对管脚交叉的进行了电位设定。Altera使用聚酰亚胺掩埋PCB板上的电路走线，以保证在严酷的HAST试验中不发生腐蚀。TC（温度循环）试验 温度循环试验加速了温度变化对器件的影响。因为构成集成电路的各种材料的热膨胀系数（CTE）不一致，使温度变化时，材料之间会有机械应力存在。比如，很多塑封材料和AlCu引线框架（L/F）的CTE差是