AEC-Q100车规芯片验证B1：HTOL - 高温工作寿命实验
时间:2024-04-06 19:09来源:大熊的知识分享 作者:ictest8_edit 点击:
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AEC-Q100文件，是芯片开展车规等级验证的重要标准和指导文件。
B组验证是ACCELERATED LIFETIME SIMULATION TESTS 加速生命周期模拟验证
本文将重点对B组的第1项HTOL - High Temperature Operating Life 高温存储寿命实验项目进行展开讨论。
High Temperature Operating Life - HTOL - 高温工作寿命实验
HTOL就是在高温条件下的验证产品工作寿命和状态的测试项目，和A6项HTSL验证的区别主要就是HTOL需要产品上电，并且产品工作起来，在这个过程要监控产品的工作状态是否正常，HTOL也是确保产品工作稳定性最为重要的验证，我们先看一下表格中内容的含义。
表格中信息介绍和解读
表格中的信息给出，HTOL的分类是B1，Notes中包含了H、P、B、D、G、K也就是说要求密封器件、塑封器件、要求BGA器件、破坏性测试、承认通用数据、使用AEC-Q100-005文件中的方法来对独立非易失性存储器集成电路或带有非易失性存储器模块的集成电路进行预处理。
需求的样品数量是每批次77颗样品，要求来自3个批次；
接受标准就是0失效；
参考文件是JEDEC的JESD22-A108；
附加需求：
对于包含NVM（非易失性存储功能）的器件，必须在根据Q100-005的流程在HTOL验证之前进行预处理。（具体操作方式，请参考E3项介绍）
0级:+150C 环境温度 1000小时。
1级:+125℃ 环境温度 1000小时。
2级:+105C 环境温度 1000小时。
3级:+85C 环境温度 1000小时。
HTOL注意事项:
1)适当等级环境温度和时间是HTOL验证的最低要求；如果能够读取芯片结温也是可以的。
2)在如下条件下，可以用产品结温代替环境温度来进行HTOL验证：在HTOL的验证中，如果产品的结温等于或高于产品规定的结温最大工作范围(Tjopmax)，但低于设计允许的最大额定结温极限值，则可以使用Tj代替Ta。
3)如果用结温来设置HTOL条件，则用活化能0.7ev或其他技术上合理的方式，来设定产品进行1000小时验证的最低温度值。
4) Vcc(产品规定最大值)要同时满足直流和交流参数，在测试过程中产品不应发生热保护停机。在室温、低温和高温下分别进行HTOL前后的电性能测试(按此顺序)。
表格解读：
HTOL比较关键的就是到底选取环境温度还是结温进行验证，这个需要根据产品本身特点来选择，小功率器件，一般选择环境温度就可以；但是大功率的器件，可能就需要对结温进行实时的监控，同时也要参考用结温设置温度条件的几个要求。
HTOL温度的选择，原则上是根据产品等级定义的，比如之前的项目都选择了1级，那么HTOL也要保持相同1级。
HTOL是需要上电的，并且验证工作状态的，简单的产品可以用电源和示波器完成测试，但是复杂一些的芯片经常需要专业的HTOL设备以确保认证的有效性，所以该项验证的成本还是比较高的，一定选择合适的条件和做好准备，提升认证通过率。
下面让我们看一下HTOL的重要参考文件JESD22-A108
JESD22-108F Temperature, Bias, and Operating Life介绍
适用范围
该测试用于确定电压偏置条件和温度条件下，在长时间范围内，对固态器件的失效性影响。它以一种加速的方式模拟器件的实际运行状况，主要用于产品鉴定和可靠性检测。这是一种使用短时间快速开展的高温电压偏置寿命试验方法，经常被称为老化寿命试验，可用于筛查与产品先天缺陷相关的故障。
定义
Maximum operating voltage 最大工作电压
根据适用的器件规格书或说明，确定器件工作运行时的最大供电电压。
Absolute maximum rated voltage 最大额定电压
可施加在器件上的最大电压，超过该电压就可能发生器件损坏(潜在的或其他的)；它通常由器件制造商为器件或相关技术确定的值。
Absolute maximum rated junction temperature 最大额定结温
器件工作的最高结温，超过该温度可能发生器件损坏(潜在的或其他的)；它通常由器件制造商为器件或相关技术确定的值。
验证流程
样品选择应该能够承受对应或选定验证条件的时间和温度要求。
验证持续时间
带偏压的寿命实验旨在满足或超过应用使用条件下的等效工作寿命。持续时间是根据应力的加速度确定的(见JEP122文件，后面有简单介绍)。验证持续时间由认证资格要求、JESD47或适用的认证文件规定。根据第6条的限制，在验证过程中增加临时电性能测量（回测）是必要的。
验证条件
验证环境条件应持续施加(临时电性能测量期间除外)。将环境箱提升到高温（升温）、将环境箱降低到室温（降温）以及进行临时测量所花费的时间不应被视为规定的总实验持续时间的部分。
环境温度
除非在长期使用或其他环境中另有规定，高温应力的环境温度和电压偏置应调整到使样品在实验环境下的最低结温为125℃。除非另有规定，低温应力的环境温度应不高于-10℃。
工作电压
除非另有规定，否则工作电压应为器件规定的最大工作电压，除非不能满足上述的条件。为了从电压和温度中获得寿命加速度，也允许使用更高的电压，但该电压不得超过器件的绝对最大额定电压，并且必须得到器件制造商的同意。
电偏执设置
电偏置系统可能是偏置应力(静态或脉冲)或工作应力(动态)。
根据偏压配置，电源和输入电压可以从最低值逐步提高到适用的最大电位，以确保实验过程中产品温度不高于最大额定结温度。产品输出可以带负载或不带负载，以达到指定的输出电压水平。如果产品具有热保护断电特性，应该通过配置确保产品不进入这个保护模式。
HTOL配置
HTOL测试配置为适配样品的各个工作点。产品可以在动态运行模式下运行。通常，可以通过调整几个输入参数来控制产品的内部功耗。这些参数包括：电源电压、时钟频率、输入信号等，这些参数设置即使在规定的值之外也可能让产品稳定工作，让产品在实验中确保处于可预测和非破坏性的状态。应确定特定的电偏置条件，使产品中潜在的工作点的最大数量的得到偏置。
HTOL测试通常应用于逻辑和内存器件。而对应的LTOL验证旨在寻找热载流子引起的故障，通常应用于内存器件或尺寸为亚微米的器件。（LTOL在AEC Q100中没有定义，所以暂不讨论）
降温过程的电偏执要求
在去除电偏压之前，高温验证下的器件应冷却到55°C或更低。
如果制造商提供了验证数据，则对给定的条件不需要电压偏置冷却，那么可以不执行这个降温过程的操作要求。
验证时间的定义 - Arrhenius Equation
下面我们重点讨论下关于HTOL、HTSL中关于时间的定义，为什么要在125℃和其他温度条件下进行1000小时的验证呢？
首先我们看一下著名的阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation ）(也有翻译为阿伦尼斯)
Arrhenius equation
阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation ）是化学术语，是瑞典的阿伦尼乌斯所创立的化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式。
其中
AEC-Q100中对于老化时间定义重点参考文件是JEP122。
那么根据Arrhenius equation公式我们可以得到如下的数据结果：
JESD85A中的参考数据
该数据是基于利用Arrhenius方程(活化能为0.7 eV)，将应力时间转换为等效使用时间(使用平均温度为55°C的情况下)，如表所示。下面括号()中的数字是使用时间从最短到最长的顺序。
先解释一个概念：活化能是一个化学名词，又被称为阈能。这一名词是由阿伦尼乌斯（Arrhenius）在1889年引入，用来定义一个化学反应的发生所需要克服的能量障碍。活化能可以用于表示一个化学反应发生所需要的最小能量。反应的活化能通常表示为Ea，单位是千焦耳每摩尔（kJ/mol）。活化能表示势垒（有时称为能垒）的高度。活化能的大小可以反映化学反应发生的难易程度。（此段解释来自百度百科）芯片的活化能一般由晶圆厂和封测厂的材料决定，他们会提供相应的数据参数，0.7eV仅是常规值之一。
可以看到表格中125℃条件下进行1000小时实验对于0.7eV活化能的产品，相当于在平均使用环境55℃的情况下连续工作78600小时，大约为8.97年。如果是150℃ At 1000小时的话，则可以换算为263000小时，大约为30年。
所以汽车电子领域，在HTOL一般采用125℃的条件，在HTSL中一般使用150℃的验证条件，通过验证后，基本可以确保产品在汽车电子产品中的存储和使用不会出现故障。
但是各位需要注意的是，最新推出的智能汽车或者新能源汽车，很多电子器件是不断电的，那么HTOL的验证标准应该适度的提升，可以根据实际情况通过Arrhenius方程进行换算
以给客户一个满意的结果。
我相信到此，各位就知道HTOL和HTSL项目的时间和温度选择原因了。
总结
HTOL高温存储寿命测试的实验过程，就是模拟一个芯片产品在极端高温环境存储的工作可靠性而设立的，并以此来模拟产品实际工作环境的工作寿命。
本文对AEC-Q100 B组的第1项内容HTOL进行了介绍和解读，希望对大家有所帮助。
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