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在集成电路可靠性验证中，老炼测试是剔除早期失效产品的关键手段。而动态老炼，作为老炼测试中最接近实际工作状态的方法，能够更有效地激发潜在缺陷。本文将深入解析IC动态老炼测试的原理、目的、实施方法及其在可靠性工程中的独特价值。
老炼测试的基本原理是向芯片施加温度和电压应力，加速潜在缺陷的暴露。根据施加信号的方式，老炼测试分为静态老炼和动态老炼两种。静态老炼仅施加电源偏置，芯片内部电路基本不工作；而动态老炼则施加激励信号，让芯片内部节点处于翻转状态。
动态老炼的核心目的
| 目的 | 实现机制 |
|---|---|
| 激发动态缺陷 | 有些缺陷只有在节点翻转时才会表现出来，如传播延迟问题、时序冲突、动态漏电等。动态老炼通过使内部节点不断翻转，暴露这些静态条件下无法发现的缺陷。 |
| 评估功耗路径可靠性 | 动态工作时，电流波动更大，IR drop更显著，可以检验电源网络在动态负载下的可靠性。 |
| 更全面的应力覆盖 | 动态老炼使芯片内部更多的节点和路径处于应力状态，应力覆盖率远高于静态老炼。 |
动态老炼的测试条件设置
动态老炼的测试条件主要包括三个维度：温度、电压和激励信号。
- 温度：通常设置为125℃-150℃，具体取决于芯片的额定工作温度和产品等级。高温加速了电迁移、栅氧化层退化、离子玷污等失效机制。
- 电压：一般设置为额定电压的1.1倍到1.3倍，即过压条件。更高的电压增大了电场强度，加速了与电压相关的失效模式。
- 激励信号：这是动态老炼的核心。需要设计专门的测试向量，使芯片内部尽可能多的节点在测试期间频繁翻转。常用的方法包括：
- 环形振荡器模式：让芯片工作在自激振荡状态
- 扫描链翻转：利用扫描链不断刷新内部寄存器
- BIST自测试：启动芯片内置的自测试电路
动态老炼的硬件实现
实施动态老炼需要专门的硬件设备：
- 老炼板：定制设计的PCB板，可同时装载数十甚至上百颗芯片，并提供电源和信号连接。
- 老炼箱：具备精确控温能力的温箱，通常采用热风循环方式维持均匀的温度场。
- 信号发生器/驱动板：产生所需的激励信号，并可能具备简单的监测功能。
- 监控系统：实时监测电源电流、温度等参数，异常时报警或切断电源。
动态老炼与静态老炼的对比
| 对比项 | 动态老炼 | 静态老炼 |
|---|---|---|
| 激励方式 | 施加动态激励信号，内部节点翻转 | 仅施加电源偏置，内部节点固定 |
| 功耗 | 较高，接近实际工作功耗 | 较低，主要为静态漏电 |
| 应力覆盖率 | 高，覆盖动态和静态缺陷 | 低，仅覆盖静态偏置相关缺陷 |
| 硬件复杂度 | 高，需要信号驱动和向量设计 | 低，只需电源连接 |
动态老炼的时间与判定标准
典型的动态老炼测试时间为48小时、168小时或1000小时，具体取决于产品等级和应用要求：
- 工业级：通常48-168小时
- 车规级：根据AEC-Q100要求，通常需要1000小时动态老炼
测试过程中和测试结束后，需要对芯片进行电性测试，与测试前的数据进行对比。判定标准通常包括：
- 功能测试全部通过
- 关键参数漂移在允许范围内
- 无早期失效发生
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