一、引言在集成电路发展过程中，无论是过去、现在，还是将来，可靠性问题一直伴随集成电路的发展而不断出现，可靠性已成为集成电路发展的重要指标之一。由于科学技术的发展和市场需求的推动，集成电路可靠性保障已从过去主要通过可靠性试验和筛选来控制最终产品的可靠性，逐步转向工艺过程控制、加强可靠性设计与功能设计的协同、故障预测与健康管理（PHM）技术设计。其中，PHM 技术是一种以失效物理为基础，用于预测和评估产品（或系统）在实际环境中可靠性的新技术，它已成为当今的研究热点。二、方法集成电路的PHM技术主要可以分为三种类型：预兆单元法、失效先兆监控法和寿命损耗监测法。1．预兆单元法预兆单元法是指在电路中增加易损模块，使其先于主设备失效而提供失效预警。集成电路失效预兆单元在电路中起类似“保险丝”的作用。国外研究者将预兆单元形象地称为“金丝雀（Canaries）”。金丝雀对矿井中的危险气体非常敏感，高危气体浓度过高会使它在发生事故前表现出病态甚至死亡，所以早期将它用于矿井高危气体的报警。同理，设计预兆单元与主器件、电路、系统集成在一起，使其按一定的机理在主电路或系统失效前提前失效，就可为宿主电路与系统的失效提供预警。在实际使用中，预兆单元作为宿主电路的子模块，见证宿主电路从生产到测试再到使用所经历的全寿命环境。预兆单元的寿命需要根据主电路失效机理进行预校准。影响器件可靠性的因素有电压、电流、温度、湿度、辐射等，如果承受相同的应力，主副电路的失效率应该是相同的。如果按一定的比例改变预兆单元承受的应力条件，则预兆单元电路会先于宿主电路失效。应力缩放可以通过改变预兆单元内部的电流密度来实现。通过相同的电荷量，如果预兆单元载流部分的横截面较小，则可以获得较大的电流密度。与此类似，也可以通过改变预兆单元中的电压来实现大电流密度。大电流密度会导致内部发热量增大，应力增大，最终使预兆单元的失效率增大。由此，可以按不同的加速比例设置多个预兆单元模块，即在浴盆曲线上设置多个报警点，得到紧急程度不同的失效报警。2．失效先兆监控法失效先兆监控法是指根据一些失效先兆信息，如性能参数漂移，对其进行监控推理，最终预报失效。失效先兆指失效症状出现前的异常信号，通常是失效发生前可测的变化，如开关电源输出电压的变化可反映其内部反馈电路或光电耦合器的异常。通过建立被测信号变化与随后发生的失效之间的因果关系就可以用于建立推理算法，预测故障。基于故障先兆推理的PHM系统在确定需要被监控的故障先兆参数后，需要建立故障先兆参数与随后发生的故障之间的推理算法。故障先兆参数在预定条件或加速条件下测试，由实验结果得到的模型可以是参数拟合曲线、神经系统网络、贝叶斯网络或故障先兆信号的时间序列。该方法假设被测器件处于一种或几种确定的使用条件下，可以在实验条件中模拟。然而，很多器件的实际工作环境条件却无法进行仿真模拟。例如，对于野外工作的设备，所处的环境复杂多变，一旦工作条件发生预期外的突变，得到的故障先兆信号也会发生变化，如果建立的模型没有全面考虑设备的全寿命工作条件和所处环境条件，则可能发出错误预警。除此之外，通常也不可能找到涵盖所有方面的先兆模型，所以，故障先兆特征和模型建立可能耗损大量人力物力而得不到预期的效果。3．寿命损耗监测法寿命损耗监测法是指利用环境应力参数和工作应力参数，建立应力-损伤模型，计算累计损伤而预报失效。寿命损耗监测的基本概念是认为产品的性能退化或物理损伤是作用于产品的全寿命负载导致的。产品的退化程度和退化速率决定于负载的大小和使用速率、频率、剧烈度等。若可以在线测得负载状况，基于失效物理模型可计算产品受负载影响下的退化。外部环境应力会对电子元器件造成损伤，降低其可靠性，是引发电子设备故障的重要原因。应力损伤评估就是搜集和累积电子产品寿命周期内承受的全部外部应力载荷，计算累积损伤和寿命损耗，进行剩余寿命估计。为此，需要在产品内嵌入若干个传感器来感知外部载荷，如温度、温度变化、湿度、振动、冲击、压力、电压、电流等。三、思路作为实现基于状态的维修、自主式保障、感知与响应后勤等新思想、新方案的关键技术， PHM技术能对器件未来任务段内可能出现的故障进行预测和健康管理，以便及时在故障发生之前预警。集成电路的PHM技术，应根据自身不同失效机理与失效模式，确定相应的PHM方法，如预兆单元法、失效先兆监控法和寿命损耗监测法等，来实施特定方案并优化、改进。只有最终通过实验验证，才能获取针对集成电路的、行之有效的PHM应用技术。其中，集成电路的PHM技术思想如图1所示。图1四、途径集成电路的PHM技术路线及步骤，如图2所示。图2第一步，集成电路的失效模式、机理及影响分析。通过对电子产品潜在的各种失效模式及其对产品功能的影响进行分析，并把每一个潜在的失效模式按它的严酷程度予以分类。通过失效模式、机理及影响分析，可以保证所有元器件的各种故障模式及影响都经过周密的考虑，为后续选择电子元器件的最佳PHM技术实施方案提供指导。第二步，确定集成电路主要失效模式及机理。通过失效模式、机理及影响分析而获得的潜在失效模式的严酷程度，按由高到低排序，进而获取最主要的失效模式及机理。第三步，针对不同的失效模式及机理，确定相应的PHM方法。①针对特定失效机理，采用预兆单元法，即预兆单元与被监控宿主电路以相同的工艺和过程集成在同一块芯片上，与宿主电路经历相同的工艺过程和环境参数，见证宿主电路从生产到测试再到使用所经历的全寿命环境；②针对电子产品随使用时间增长而逐渐老化的特性，采用失效先兆监控法，即监测特定参数值；③针对MOS器件的累计损伤特性，采用寿命损耗监测法，即产品的退化程度和退化速率决定于负载的大小和使用速率、频率、剧烈度等。第四步，确定集成电路的预兆单元法、失效先兆监控法和寿命损耗监测法。第五步，确定针对某种集成电路的预兆单元法、失效先兆监控法和寿命损耗监测法的特定实施方案。①对于预兆单元法，设计具体的电子元器件的预警电路；②对于失效先兆监控法，设计参数采集电路，并采用合适的算法进行数据处理与分析，进而实现寿命预测；③对于寿命损耗监测法，选择合适的物理模型，以及确定合理的模型参数，计算残余寿命。第六步，集成电路PHM方法的实验验证。当集成电路PHM方法通过了实验验证后才是可应用的技术。而当没有通过实验验证时，就得找到PHM方案的缺点，并进行改进设计，以获得合适的集成电路PHM方案。本文根据孔学东，恩云飞等老师编著的电子产品故障预测与健康管理改编。长按二维码识别关注我们 查看全文
