通用微處理器等效老化試驗方法分析與研究

　　只有在同樣的試驗原則下進(jìn)行的評價，才具有實際可比的內(nèi)涵。目前對國產(chǎn)CPU 的老化，老化線路、老化頻率都由生產(chǎn)方自定，對老化方法沒有評價的準(zhǔn)則，老化結(jié)果可比性差。同時也很難保證到達(dá)用戶手中CPU 的使用可靠性。因此建立一個等效的老化試驗規(guī)范，是CPU 質(zhì)量與可靠性評價技術(shù)的關(guān)鍵，也是業(yè)界非常關(guān)心的問題。

　　等效老化信號的確定

　　要建立一個具有可比性的CPU 等效老化試驗規(guī)范，其實質(zhì)就是將CPU 老化試驗方案與等效老化信號確定方法有機(jī)地結(jié)合起來。本節(jié)主要闡述如何確定集成電路的等效老化信號，在后面的章節(jié)會專門討論CPU 老化試驗方案。

　　老化應(yīng)力的表征

　　從老化原理可知，芯片溫度在老化過程中起著決定性的作用。如果產(chǎn)品的功耗相同，老化時外加的溫度和電應(yīng)力都相同，根據(jù)（2）式可知，老化芯片溫度能夠表征老化應(yīng)力強(qiáng)度。但如果考慮到芯片自身功耗的差異，僅用芯片溫度就無法表征老化應(yīng)力強(qiáng)度。產(chǎn)品老化時，功耗大的產(chǎn)品所加的電應(yīng)力肯定大于功耗小的產(chǎn)品，當(dāng)然功耗大的產(chǎn)品芯片溫度也會高于功耗小的產(chǎn)品。在評估老化應(yīng)力強(qiáng)度時，只比較外加電應(yīng)力的絕對大小是不夠的，必須將產(chǎn)品自身功耗的差異考慮進(jìn)去，找到一個包含自身功耗差異的老化應(yīng)力特征參數(shù)以評估老化應(yīng)力的等效性。只有這一特征參數(shù)相等，才能使不同產(chǎn)品的老化效果相同。

　　歸一化老化電流

　　集成電路的工作功耗與信號的頻率有關(guān)，在晶體管翻轉(zhuǎn)過程中，其功耗由三部分組成：動態(tài)功耗、漏電功耗（靜態(tài)功耗）和短路（直流通路）功耗。其相關(guān)關(guān)系可用下式表示：

　　其中第一項是CV2f是動態(tài)功耗，C 是一個分布電容，是由設(shè)計和工藝決定的，當(dāng)電源電壓一定，動態(tài)功耗與信號頻率呈線性關(guān)系。（3）式中第二項VI peaktsf 是短路功耗，I peak是MOS 管導(dǎo)通時的峰值電流，ts 為PMOS 和NMOS 同時導(dǎo)通的時間。漏電功耗相對于動態(tài)功耗和短路功耗來說比較小，（3）式?jīng)]有考慮。由于Ipeak和ts參數(shù)在老化的過程中難以提取，本文只針對動態(tài)功耗CV2f進(jìn)行研究。

　　如果老化時所加信號頻率等于其額定工作頻率，老化時由電應(yīng)力引起的芯片溫升與實際工作情況相似。但由于動態(tài)老化是一個長期的加電試驗過程，而現(xiàn)代集成電路的工作頻率越來越高，老化用的信號源根本無法達(dá)到其額定工作頻率?，F(xiàn)代最先進(jìn)的老化設(shè)備提供的老化信號最高頻率僅為20~30MHz，而CPU 動輒數(shù)百到數(shù)千MHz，實際上CPU 的老化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其額定工作頻率。

　　由于環(huán)境溫度可以人為設(shè)定，器件熱阻又為其本征特性，這樣由公式（2）決定的老化芯片溫度，只有在改變老化功耗時才發(fā)生變化。因此，老化的效果就由老化功率的高低決定。

　　由（3）式動態(tài)功耗CV2f可以推得老化功耗電流的表達(dá)式：

　　由老化原理可知，老化功耗電流越接近實際工作時的電流，老化功率和實際應(yīng)用功率就越接近，老化就越能模擬實際應(yīng)用狀態(tài)，老化應(yīng)力就越強(qiáng)，其老化效果也越好。但由于老化設(shè)備在工程中不可能達(dá)到實際應(yīng)用的水平，一般老化電流都低于正常工作電流。不同的電路，只要老化電流與額定工作電流的比例系數(shù)相等，從邏輯上可以推出老化應(yīng)力水平相同。這里將老化電流與額定工作電流的比例系數(shù)稱之為“歸一化老化電流”，用α表示：

　　其中Iccb為老化電流,Icco為額定工作電流，“歸一化老化電流”α被定義為表征老化應(yīng)力水平的特征參數(shù)。