芯片老炼测试为什么能提高可靠性？

老炼测试是芯片可靠性验证和生产筛选中不可或缺的一环。它通过施加温度、电压等应力，使芯片内部的潜在缺陷提前暴露，从而在出厂前剔除早期失效产品。本文将深入解析老炼测试提高可靠性的原理和机制。

理解老炼测试的价值，首先需要了解电子元器件的失效规律。

浴盆曲线：失效的三个阶段

电子元器件的失效率随时间变化，呈现典型的浴盆曲线特征，分为三个阶段：

老炼测试的核心目标就是通过加速应力，将早期失效期的产品在交付前剔除，使客户收到的产品进入偶然失效期，即失效率最低的阶段。

老炼测试的缺陷激发机制

老炼测试通过施加高于正常工作的应力，加速潜在缺陷的演化过程。

• 热应力：
  • 高温加速了物理和化学反应的速率，如离子迁移、氧化层退化、金属间化合物生长
  • 根据阿伦尼乌斯模型，温度每升高10℃，反应速率约提高1倍
  • 125℃下1000小时的老炼，相当于常温下数年的应力
• 电压应力：
  • 过压条件增大了电场强度，加速与电压相关的失效机制，如栅氧化层击穿
  • 电压应力对漏电缺陷、绝缘层薄弱点特别有效
• 动态应力：
  • 动态老炼使芯片内部节点不断翻转，激发与开关相关的缺陷
  • 如传播延迟问题、动态漏电、时序冲突等

不同类型缺陷的老炼激发效果

老炼测试对可靠性的量化提升

通过老炼测试剔除早期失效产品后，交付批次的可靠性可以得到显著提升：

• 早期失效率降低：数据表明，经过100%老炼筛选的批次，早期失率可降低1-2个数量级
• 使用寿命延长：剔除潜在缺陷后，产品更稳定地进入偶然失效期，实际使用寿命延长
• 现场故障率下降：汽车电子等应用要求零缺陷，老炼是达到这一目标的关键手段

老炼测试的时间与应力选择

老炼测试的条件需要平衡筛选效果和成本：

• 时间太短：部分潜在缺陷未能激发，筛选不充分
• 时间太长：可能消耗正常使用寿命，且成本增加
• 应力太高：可能引入新的失效模式，或损坏正常产品

典型的老炼条件是通过大量实验数据和经验确定的：

• 工业级：125℃，168小时
• 车规级：125℃-150℃，1000小时
• 军工级：125℃-150℃，240小时以上

动态老炼 vs 静态老炼

动态老炼比静态老炼能更有效地激发缺陷：

汇策晟安检测的老炼测试服务

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