通用微处理器等效老化试验方法分析与研究

等效老化信号的确定

要建立一个具有可比性的CPU 等效老化试验规范，其实质就是将CPU 老化试验方案与等效老化信号确定方法有机地结合起来。本节主要阐述如何确定集成电路的等效老化信号，在后面的章节会专门讨论CPU 老化试验方案。

老化应力的表征

从老化原理可知，芯片温度在老化过程中起着决定性的作用。如果产品的功耗相同，老化时外加的温度和电应力都相同，根据（2）式可知，老化芯片温度能够表征老化应力强度。但如果考虑到芯片自身功耗的差异，仅用芯片温度就无法表征老化应力强度。产品老化时，功耗大的产品所加的电应力肯定大于功耗小的产品，当然功耗大的产品芯片温度也会高于功耗小的产品。在评估老化应力强度时，只比较外加电应力的绝对大小是不够的，必须将产品自身功耗的差异考虑进去，找到一个包含自身功耗差异的老化应力特征参数以评估老化应力的等效性。只有这一特征参数相等，才能使不同产品的老化效果相同。

归一化老化电流

集成电路的工作功耗与信号的频率有关，在晶体管翻转过程中，其功耗由三部分组成：动态功耗、漏电功耗（静态功耗）和短路（直流通路）功耗。其相关关系可用下式表示：

其中第一项是CV2f是动态功耗，C 是一个分布电容，是由设计和工艺决定的，当电源电压一定，动态功耗与信号频率呈线性关系。（3）式中第二项VI peaktsf 是短路功耗，I peak是MOS 管导通时的峰值电流，ts 为PMOS 和NMOS 同时导通的时间。漏电功耗相对于动态功耗和短路功耗来说比较小，（3）式没有考虑。由于Ipeak和ts参数在老化的过程中难以提取，本文只针对动态功耗CV2f进行研究。

如果老化时所加信号频率等于其额定工作频率，老化时由电应力引起的芯片温升与实际工作情况相似。但由于动态老化是一个长期的加电试验过程，而现代集成电路的工作频率越来越高，老化用的信号源根本无法达到其额定工作频率。现代最先进的老化设备提供的老化信号最高频率仅为20"30MHz，而CPU 动辄数百到数千MHz，实际上CPU 的老化频率远远低于其额定工作频率。

由于环境温度可以人为设定，器件热阻又为其本征特性，这样由公式（2）决定的老化芯片温度，只有在改变老化功耗时才发生变化。因此，老化的效果就由老化功率的高低决定。

由（3）式动态功耗CV2f可以推得老化功耗电流的表达式：

由老化原理可知，老化功耗电流越接近实际工作时的电流，老化功率和实际应用功率就越接近，老化就越能模拟实际应用状态，老化应力就越强，其老化效果也越好。但由于老化设备在工程中不可能达到实际应用的水平，一般老化电流都低于正常工作电流。不同的电路，只要老化电流与额定工作电流的比例系数相等，从逻辑上可以推出老化应力水平相同。这里将老化电流与额定工作电流的比例系数称之为“归一化老化电流”，用α表示：

其中Iccb为老化电流,Icco为额定工作电流，“归一化老化电流”α被定义为表征老化应力水平的特征参数。

等效老化信号的确定

对于不同的电路，由于其设计和制造工艺不同，其额定工作电流和分布电容都不一样，由（4）式可知，电流Icc随信号频率线性变化的斜率不同。因此，不同产品在相同的信号频率下老化，其“归一化老化电流”α会有较大的区别，老化应力水平并不一致。

针对两种功能相同，工艺和设计都不同的产品，老化的外围线路图是相同的。令两种产品的“归一化老化电流”为α，它们的额定工作电流分别为I cco1和I cco2，电流随频率变化的斜率分别为K1=C1V1、K2=C2V2，就可以分别确定出动态老化信号频率：（6），（7）式中，α是根据可靠性要求和工程情况综合确定的，额定工作电流I cco可以测试或从产品手册中查出，电流随频率变化的斜率k 可以通过试验的方法求出，等效老化的信号频率也就随之确定。

通用CPU 等效老化方案设计

通用CPU 老化线路设计

老化技术从静态老化、动态老化发展到功能性老化，功能性老化被认为是探测器件缺陷的一种更好的方法。然而进行功能性老化需要将测试设备与老化设备有机地结合起来，设备非常昂贵，目前国内还没有条件进行功能性老化。基于国内的现状，文中不涉及CPU 功能性老化及老化向量集的研究，重点在于研究等效的CPU 动态老化试验方法。

参照国内外一些老化方案，结合对CPU486 体系结构的研究，进行通用CPU486 老化试验方案设计。根据设计公司对通用CPU486 模拟仿真的结果可知，给CPU486 加复位和时钟信号，若所给复位信号和时钟信号能使CPU 正常复位，CPU 内部翻转的晶体管数可达60%～70%。仅给时钟信号内部翻转的晶体管数目是很少的，这一点从老化电流上就可反映出来，两种情况下其老化电流相差非常大，见图1。在无法进行功能性老化的情况下，采用时钟信号和复位信号进行CPU486 动态老化，可使老化覆盖率达到60"70%，不失为一种有效的工程方法。以CPU486 为例，本课题采用加时钟和复位信号的方式进行动态老化。老化时，在时钟端与复位端加上信号，其它输入端通过一个4.7k?的保护电阻接地或电源，使其有一个固定的状态，输出开路。老化状态可通过地址状态输出端ADS#进行观察，若ADS#端有正常的输出信号，表明其老化状态正常。