芯片老化测试：为何电压与温度成加速因子？

温度为何能加速芯片失效？

从物理层面来看，温度本质上代表原子和电子的运动能量。

当温度升高时：

• 原子振动更加剧烈

• 金属离子迁移速度增加

• 化学反应速度加快

• 材料内部应力增大

因此很多原本需要几年才会出现的问题，可以在高温下几天甚至几小时内暴露出来。

1、金属电迁移（Electromigration）

芯片内部互连线宽度只有几十纳米。

当电流长期流过时：

电子会不断撞击金属原子。

高温条件下，金属原子更容易被推动迁移，形成：

• 空洞（Void）

• 金属堆积（Hillock）

最终导致：

• 开路

• 短路

• 参数漂移

这是先进制程芯片的重要失效来源之一。

2、介质击穿

MOSFET栅氧化层厚度极薄。

随着温度升高：

氧化层内部缺陷增长速度加快。

最终形成导电通道。

导致：

• 漏电流增大

• 栅极击穿

• 芯片失效

3、封装疲劳

芯片由：

• 硅

• 铜

• 焊料

• 塑封材料

等不同材料组成。

它们热膨胀系数不同。

温度反复变化时：

会产生机械应力。

长期循环后可能出现：

• 焊点裂纹

• 键合线断裂

• 封装开裂

电压为何能加速芯片失效？

电压越高，芯片内部产生的电场越强。

电场会直接影响电子运动和材料结构。

1、栅氧化层应力增大

MOS晶体管核心结构：

$V_{GS}$

当栅压提高时：

氧化层承受更大的电场。

长期作用下：

会产生更多陷阱电荷。

最终导致：

• 阈值电压漂移

• 漏电增加

• 氧化层击穿

这被称为：

TDDB（Time Dependent Dielectric Breakdown）

即时间相关介质击穿。

2、热载流子效应（HCI）

高电压会让电子获得更高能量。

部分电子会撞入栅氧化层内部。

造成：

• 氧化层损伤

• 晶体管性能下降

长期运行后：

驱动能力下降。

芯片频率开始衰减。

3、漏电流增加

很多半导体器件都存在：

$P=VI$

电压升高后：

功耗增加。

功耗增加又会导致温度升高。

形成：

高压 → 高功耗 → 高温 → 更快老化

的恶性循环。

为什么温度和电压同时使用？

实际老化测试中通常不会只提高温度或只提高电压。

而是同时施加：

• 高温

• 高压

• 工作负载

例如：

这样可以把数年的老化过程压缩到几天甚至几周。

阿伦尼乌斯模型：温度加速的理论基础

可靠性工程中广泛采用：

$AF=e^{\frac{E_a}{k}\left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)}$

其中：

• AF：加速因子

• Ea：活化能

• k：玻尔兹曼常数

• T：绝对温度

该模型表明：

温度每升高10℃左右，许多失效机理的速度会增加约1.5～2倍。

因此：

芯片在125℃运行100小时，

可能相当于在常温环境下运行数年。

为什么老化测试能筛选不良品？

芯片制造过程中不可避免会存在微小缺陷：

• 金属杂质

• 光刻偏差

• 氧化层缺陷

• 焊接缺陷

这些缺陷在正常环境下可能几个月后才暴露。

经过高温高压老化后：

缺陷会被迅速放大。

表现为：

• 死机

• 漏电异常

• 功耗超标

• 参数漂移

厂家将这些早期失效器件筛除后，留下的产品可靠性会显著提高。