通用微處理器等效老化試驗(yàn)方法分析與研究

　　只有在同樣的試驗(yàn)原則下進(jìn)行的評(píng)價(jià)，才具有實(shí)際可比的內(nèi)涵。目前對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU 的老化，老化線路、老化頻率都由生產(chǎn)方自定，對(duì)老化方法沒有評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則，老化結(jié)果可比性差。同時(shí)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(gè)等效的老化試驗(yàn)規(guī)范，是CPU 質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)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(hào)的確定

　　要建立一個(gè)具有可比性的CPU 等效老化試驗(yàn)規(guī)范，其實(shí)質(zhì)就是將CPU 老化試驗(yàn)方案與等效老化信號(hào)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(hào)，在后面的章節(jié)會(huì)專門討論CPU 老化試驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(huì)高于功耗小的產(chǎn)品。在評(píng)估老化應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，只比較外加電應(yīng)力的絕對(duì)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(gè)包含自身功耗差異的老化應(yīng)力特征參數(shù)以評(píng)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(hào)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(dòng)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(xiàng)是CV2f是動(dòng)態(tài)功耗，C 是一個(gè)分布電容，是由設(shè)計(jì)和工藝決定的，當(dāng)電源電壓一定，動(dòng)態(tài)功耗與信號(hào)頻率呈線性關(guān)系。（3）式中第二項(xiàng)VI peaktsf 是短路功耗，I peak是MOS 管導(dǎo)通時(shí)的峰值電流，ts 為PMOS 和NMOS 同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間。漏電功耗相對(duì)于動(dòng)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(duì)動(dòng)態(tài)功耗CV2f進(jìn)行研究。

　　如果老化時(shí)所加信號(hào)頻率等于其額定工作頻率，老化時(shí)由電應(yīng)力引起的芯片溫升與實(shí)際工作情況相似。但由于動(dòng)態(tài)老化是一個(gè)長(zhǎng)期的加電試驗(yàn)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(hào)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(hào)最高頻率僅為20~30MHz，而CPU 動(dòng)輒數(shù)百到數(shù)千MHz，實(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)際工作時(shí)的電流，老化功率和實(shí)際應(yīng)用功率就越接近，老化就越能模擬實(shí)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(shí)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)。