1、应用于存储测试系统的 ASIC 可靠性分析及实验研究摘 要本文针对应用于存储测试系统的 ASIC 可靠性的问题，做了以下几个方面的研究：一、对 ASIC 可靠性设计方法和 ASIC 封装进行总结，并对设计中的关键技术做出详细解释。二、运用可靠性理论对存储测试系统进行了有关理论分析和研究并通过对存储测试系统的分析来分析 ASIC。三、掌握 ASIC 可靠性试验方法对ASIC 可靠性进行环境实验。本文的目的是通过对应用于存储测试系统的 ASIC 可靠性问题的研究，对ASIC 可靠性做出概述；了解并掌握 ASIC 可靠性设计方法；对存储测试系统进行可靠性模型分析并建模；对存储测试系统中 ASIC 芯
2、片进行可靠性试验。在广泛查阅国内外相关文献的基础上，作者采用理论分析和实验相结合的方法对上述问题进行了研究：（1）系统论述了可靠性理论的内容和发展状况。介绍了可靠性理论中的可靠度、故障率等概念。（2）对 ASIC 可靠性设计方法和封装进行总结，并对可靠性设计中的关键技术做出详细解释。（3）分析存储测试系统构成，建立详尽的系统原理框图。总结分析了存储测试系统测试实验中可能出现在的各种可靠性问题。建立系统的可靠性模型。（4）掌握集成芯片可靠性试验和可靠性评估的方法，并对指定芯片进行可靠性环境试验及可靠性评估。通过本课题的研究分析，对应用于存储测试系统的 ASIC 进行了可靠性领域的分析总结。通过可
3、靠性设计方法和可靠性模型和故障的分析，为集成芯片提高可靠性找到了明确的途径。关键词：ASIC, 存储测试系统，可靠性，可靠性设计，可靠性模型，可靠性实验中北大学信息商务学院 2010 届毕业设计说明书reliability analysis and experimental study for ASICof Storage Test SystemAbstractThis paper mainly discusses the ASIC reliability problem and do the research from the following aspects: First, do sum
4、marized of ASIC reliability design and make detailed explanation for the key techniques of ASIC reliability design . Second , use reliability theory to do theoretical analysis and research for the measured ASIC. Third, control the reliability of test methods for ASIC reliability environmental experi
5、ment.The purpose of this article is through research ASIC reliability problem to be the ASIC outlined ; understand and control the ASIC design methods; make the reliability model analysis and modeling for specified ship; make specified ASIC reliability experiment. on the basis of a wide range of rel
6、evant literature ,maker use the theoretical analysis combining with experimental method to research these issues:(1)Discussed the reliability theory content and development . Describes the reliability, failure rate and so on about reliability theory.(2) The reliability of ASIC design procedures and
7、methods were summarized and a detailed explanation of the key technologies for reliability design .(3)Analysis the specified integrated ship system structure ,establishment of detail system block diagram. Analyzed the integrated chip test may appear a variety of reliability problems. The establishme
8、nt of the system reliability model.(4) Control integrated chip reliability testing method and reliability assessment method, and specify iASIC environment testing and reliability assessment .Through analysis of this topic to the summarized for the reliability area of the ASIC .through analysis of th
9、e reliability design method and reliability models failure analysis to found a clear way for advance the ASIC reliability .Key words: ASIC, reliability, reliability design, reliability model, reliability experiment 第 I 页 共 页 目 录1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 课题研究的目的和意义 .11.3 国内外研究现状和发展前景 .21.3.1 ASIC 国内外发展现状
10、.21.3.2 可靠性理论发展现状 .41.4 本课题完成的工作及研究内容 .62 ASIC 可靠性概述 .72.1 可靠性的定义 .72.2 可靠性的分类 .72.3 可靠性参数与指标 .82.4 可靠性指标 .112.5 小结 .133 ASIC 芯片可靠性的设计 .143.1 ASIC 可靠性设计 .143.1.1 概述 .143.1.2 ASIC 可靠性设计指标 .153.1.3 ASIC 可靠性设计的基本内容 .163.1.4 可靠性设计技术 .183.2 ASIC 封装及可靠性 .213.2.1 封装类型及失效模式 .213.2.1 封装技术简介 .223.3 小结 .244 AS
11、IC 可靠性模型分析 .254.1 ASIC 工作原理及其故障分析 .254.1.1 ASIC 工作原理 .254.1.2 存储测试系统故障分析 .27第 II 页 共 页 4.2 可靠性模型分类及分析方法 .304.3 ASIC 工作系统可靠性模型分析 .334.4 小结 .345 ASIC 可靠性试验 .355.1 ASIC 可靠性试验的分类与意义 .355.2 ASIC 可靠性试验流程 .365.3 ASIC 温度实验 .365.3.1 ASIC 高温实验 .375.3.2 ASIC 低温实验 .395.4 ASIC 冲击实验 .405.6 小结 .456 结 论 .466.1 研究工作
12、总结 .466.2 下一步的工作 .46参考文献 .47致 谢 .48第 1 页 共 48 页1 绪 论1.1 引言集成芯片随着微电子技术的发展,在品种、规模、性能和电性能参数等方面已达到了很高的水平,其专业化的设计充分考虑了电路的合理性和可靠性,器件制造工艺先进、精密、不易受环境的干扰。它是电子电路中应用最为广泛的器件。在动态存储领域中，由于被测对象复杂多样，要求一次记录的信息量不断增加，电路复杂程度增加，而允许放置测试仪器的空间很小，因此设计大规模专用集成电路在动态存储测试领域中具有广泛的应用前景。1.2 课题研究的目的和意义存储测试技术是近年来发展起来的一种新的弹上参数的测试方法。存储测
13、试系统应具有体积小，耗电低，能正常工作于高冲击、高温、高压、低温环境等特点，其工作时直接放在被测物内、记录被测物的工作过程信号，测试环境比较恶劣 2。为提高存储测试技术的水平，适应各种高难度的动态测试课题，减小测试装置体积，降低系统功耗，提高测试系统的可靠性，则需研制大规模存储测试ASIC（Application Specific Intergrated Cricuits）即专用集成电路集成电路。过去各国的存储测试系统及我们早期开发的存储测试系统都是用现有通用集成电路组合而成的，体积、功耗都受到限制，功能和可靠性不高。用单片 ASIC替代多片通用数字电路构成的数字系统，具有体积小、可靠性高、功
14、耗低等优点。因此，本课题的研究将有重大社会效益、经济效益及广阔的应用前景。ASIC 面向某一特定应用或某一用户的特殊要求，品种多、批量小、功能强，它的出现是由集成电路的特点所决定的。集成电路技术的特点之一是与各行各业的相关度高，几乎接近 100;其次，超大规模集成技术表示的是一种能力，它的不断发展主要是取决于应用。ASIC 的价格不仅由竞争决定，而且由其所替代的电子系统的价值( 包括设计思想、电路系统速度、功耗及可靠性、保密性等)所决定。因此，ASIC 的发展具有广阔的前景和应用市场。ASIC 的使用使电子系统具有更好的性能、更高的可靠性、更强的保密性、更低的价格、更小的体积以及更轻的重量 1
15、1。采用 ASIC 技术是解决以上问题的唯第 2 页 共 48 页一选择，研制一种可靠的 ASIC 则是唯一的方法。ASIC 技术发展至今天，测试的重要性日益显著。测试的目的，对于设来说，主要是发现错误，尽早改正设计;对于制造厂家来说，是筛选出合格的芯片，保证品质量;对于用户来说，是检测芯片正常工作与否，决定是否采纳。通过测试不仅能确全面地反映器件的各项参数和功能，对器件的硬件故障做出判断，从而达到验证版图、指导工艺的目的，而且通过测试淘汰早期失效的电路，将大大提高器件的可靠性和定性，从而使整机的可靠性得到提高。此次毕业设计目的是针对实验室定制的 ASIC 芯片进行可靠性分析及实验研究，了解并
16、掌握 ASIC 可靠性设计方法、可靠性分析方法、可靠测量方法及相关基本知识,实现 ASIC 芯片的可靠性分析及可靠性评估。1.3 国内外研究现状和发展前景1.3.1 ASIC 国内外发展现状20 世纪 60 年代初开始出现了集成电路，但是由于当时工艺水平的限制，上市的都是小规模集成电路(SSI)的标准通用产品，例如各种门电路、触发器等。随着工艺的进步，逐步开发出中规模集成电路系统(MSI)。从 20 世纪 70 年代开始，MOS 工艺技术有了突破性的进展，因而有条件发展大规模集成电路(LSI)。ASIC是国际上 80 年代 VLSI 发展过程中的一种产物，是一种为了某种专门用途而把多种通用的
17、IC 集成在一起的芯片，是当前集成电路的主要产品之一，它具有生产批量小，周期短，易实现产品更新等特点，能使电子产品的开发周期缩短，可靠性增强，成木降低。VLSI 生产工艺的革新和 EDA 软件的重大发展，给 ASIC 提供了基础。因此，在国际上它得到了飞速的发展。另外，由于 ASIC 的应用大大提高了整机系统的性能;有利于系统小型化、微型化，提高其可靠性和增强保密性，所以也越来越引起人们的广泛关注 1.。80 年代初美日公司上马发展 ASIC，目前已发展成为一种十分重要的IC。ASIC 的发展将引起半导体产业的深刻变革，传统的大生产采用的单一优化工艺将改变为多功能兼容工艺。专用集成电路虽是八十
18、年代才开始兴起，但在短短几年间、己占集成电路市场的 21%以上，它已逐渐成为集成电路的主流。所以ASIC 技术已成为电子产品高技术水平的重要标志之一 11。第 3 页 共 48 页美国国防部正在研制的弹道导弹、机载电子设备等新型武器和电子系统中，将近 80%的非存储器电路采用专用集成电路。 “爱国者”导弹采用定制的超高速集成电路后，电子模块从 200 个减为 13 个，可同时跟踪多达 100 个目标，还能对目标进行分类，并同时引导 8 枚导弹分别攻击 8 个目标。在 ASIC 的测试方面一般采用边界扫描法和矢量测试法。美国的 CTI （ColemanTechnologies Inc)公司生产的
19、 ASIC 测试系统能够自动的生成高速数字化的图案、同时记录和分析输出的高速的数字量和模拟量如时间和幅度，此外包括生成报告和文件的数据及图像格式的输出 16。国内在 ASIC 方面取得了丰硕的成果和许多的重要进展，中北大学多年来致力于存储专用集成电路的开发，以中北大学祖静教授作为学科带头人的动态测试与智能仪器课题组较早在国内开展了这方面的工作，共研制了四代大规模专用集成电路并设计了相应的检测系统。第一代存储测试系统专用集成电路 TJ8815A, TJ8815B。 TJ8815A 具有 8 通道模拟开关、两次触发电路、 可编程延迟计数器、可编程时基电路及上电复位电路。1989 年将其成功用于火炮
20、膛压测试的“放入式电子测压器” ，该电子测压器体积小于 3.8cm3，测压器内部的单通道瞬态波形一记录仪体积仅为 3cm3，该项技术处于国际领先水平。TJ8815B 具有 14 位地址发生器、二次触发地址锁存器、起始地址锁存器、电源开关电路及读写控制逻辑，具有自适应变更采样频率及增益的能力，最高时钟频率为 1MI-Iz，已用于多种微型MTMS 中，效果很好。第二代存储测试系统专用集成电路HB9401,HB9402,HB9403。 HB9401 是电子测压器专用集成电路。HB9402 是发动机及车辆传动系统工况测试专用集成电路。HB9403 是弹载存储测试及通用瞬态波形记录仪专用集电路，超级瞬态
21、波形记录仪控制器。第三代 TH9601 是集自适应采集与存储控制功能于一体的控制电路，利用激光门阵列加工而成。利用 TH9601研制出了人体运动检测仪，汽车碰撞三维加速度测试仪及炮弹导弹黑匣子，获得了大量动态测试数据。第四代存储侧试专用集成电路 HB0201，HB0202 。HB0201是动态测试微型存储测试装置控制器。HB0202 是为适应火炮、导弹等武器系统研制动态测试需要的微型存储测试装置的控制器，除具有 HB0201 的全部功能外，还具有可在一次试验中同时测取多个环境下的动态参数的功能，能够随被测环境的变化自动改变采样频率及改变放大器的增益，其功能比较全面。第 4 页 共 48 页西北
22、工业大学在专用集成电路逻辑功能在线测试技术研究方面设计了 NPU ASIC 测试系统。相比于国外，我国的 AISC 技术还较为落后，还需要加倍的努力才能跟上国际先进水平的发展，进而为祖国的国防事业和经济建设做出应有的贡献。1.3.2 可靠性理论发展现状可靠性在上世纪中期诞生在美国，在这 50 多年来取得了长足的发展，特别是在军事装备和航天领域得到了广泛应用取得了巨大成功。在第二次世界大战中，由于纳粹德国发射的 V-1、V-2 火箭的不可靠及美国运往远东的航空无线电设备有 60%不能工作，引起了对可靠性问题的认识。1944 年纳粹德国用 V-2 火箭袭击伦敦，有 80 枚火箭没有起飞就在起飞台上
23、爆炸，还有不少火箭没有到达伦敦就掉进英吉利海峡。当时美国海军统计，电子设备在规定的工作期内仅有 30%的时间能有效地工作。在此期间，因可靠性问题损失飞机 2100架，这是被击落飞机的 1.5 倍。通过大量现场调查和故障分析，采取了对策，诞生了可靠性这门学科 3。当时德国在 V-1 火箭研制后期，提出并运用了串联系统模型，得出火箭系统可靠度等于所有元器件、零部件数目乘积的结论。根据可靠性乘积定律，计算出该火箭的可靠度为 0.75。因此，V-1 成为第一个运用系统可靠性理论的实例。美国对运往远东的航空无线电设备的可靠性问题进行了调查统计分析，找出主要原因是电子管的可靠性太差。于是，在 1943 年
24、成立了电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。20 世纪 40 年代被认为是可靠性萌芽时期。20 世纪 50 年代是可靠性兴起和形成的年代。为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国军方及工业界有组织的开展了可靠性研究。在此期间具有影响的是 1952 年美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组（AGREE） 。1957 年 AGREE 发表了题为军用电子设备可靠性的研究报告。该报告确定了美国可靠性工程发展的方向，成为了可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已经成为一门独立的学科。20 世纪 60 年代是可靠性工程全面发展的阶段，也是美国武器系统研制全面
25、贯彻可靠性大纲的年代。在这期间，美国先后开发了 F-111A、F-15A 战斗机、 “民兵”导弹、 “水星” 和“阿波罗”宇宙飞船等装备。这些新一代装备对可靠性提出了更第 5 页 共 48 页加严格的要求。在这些新一代装备的研制中，都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲，规定了定量的可靠性要求，进行可靠性分配及预计，开展故障模式及影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA） ，采用余度设计，开展可靠性鉴定试验，验收试验和老练试验，进行可靠性评审等，使这些装备的可靠性有了大幅度的提高。20 世纪 70 年代是可靠性工程步入成熟的阶段。在这 10 年中，尽管美国及整个资本主义世界遇到经济困难，军费紧缩
26、，但是可靠性作为降低武器系统寿命周期费用的一种有效工具得到进一步发展。在这一阶段建立了集中的可靠性管理机构，负责组织、协调国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题。美国空军的 F-16A 和海军的 F/A-8A 战斗机、陆军的 M1 主战坦克体现了 70 年代的特点。80 年代以来，可靠性工程向着更深、更广的方向发展。美国采取的这一系列可靠性措施，促使了美国军用产品和航天事业可靠性的大大提高，也使美国可靠性工程得到了突破性的发展。日本在 50 年代开始引进可靠性管理经验，取得了世人瞩目的成果。原苏联、英国、法国等国家也在可靠性理论方面进行了一系列深入的研究，取得了显著成就。我国在 50
27、 年代后期开始重视可靠性工作，比如钱学森同志提出用两个不太可靠的元器件组成一个可靠的系统。六十年代初，原电子工业部五所就进行了可靠性评估的开拓性工作。1965 年在钱学森同志的建议下，原电子工业部成立了可靠性质量管理研究所(七零五所)。但建所不久，文革开始，七零五所被迫解散。70 年代初，航天事业的发展证明航天产品必须要经过严格的筛选，因此可以说我国在可靠性工程领域首先进行的工作是筛选。此后为了为了提高电子元器件的固有可靠度，发展了“ 七专 ”产品。 “七专”产品初步满足了航天的需要，使元器件失效率大体上降低了一个数量级左右 5。80 年代我国可靠性工程得到了全面快速的发展。在军事技术领域对部
28、分型号和较大系统提出了定量的可靠性要求，并为此而开展了设计过程中的可靠性分配及预计工作。由于航天事业发展的需要，延寿工作提到议事日程。各有关部门、军兵种越来越重视可靠性管理工作，加强了可靠性设计、可靠性信息管理等基础工作的研究。全国军用电子设备可靠性数据交换网已经成立。空军、航天工业部、第 6 页 共 48 页总参通讯部、中船总公司等部门先后建立可靠性数据交换网等等 8。但是我国开展可靠性工作较晚，目前和发达国家相比还处于比较落后的水平，大致相当于美国 60 年代的水平。由于军事的特殊需要，可靠性技术应在军事领域得到领先的发展，但在我国这种领先的优势并不明显，可靠性工程技术队伍和管理人员的数量和素质与工作需求很不适应。加强各类人员对可靠性的认识，加强可靠性管理水平，是推动可靠性工程发展的关键。1.4 本课题完成的工作及研究内容本课题主要是基于存储测试系统对存储测试系统进行可靠性分析及的实验及研究。在导师的指导下主要完成以下研究工作：(1) 学习可靠性相关基础知识，包括建模及实验设计方法(2) 掌握集成芯片环境考核方法(3) 设计芯片环境实验，包括高、低温、振动、冲击等(4) 对给定芯片进行可靠性相关实验(5) 实验数据分析(6) 对芯片环境可靠性进行评价
