عمر تشغيلي في درجات الحرارة العالية

يمثل عامل التبديل الرقمي (DTF) عدد الترانزستورات التي تغير حالتها أثناء اختبار الإجهاد، نسبةً إلى إجمالي عدد البوابات في الجزء الرقمي من الدائرة المتكاملة. وبعبارة أخرى، يمثل DTF النسبة المئوية للترانزستورات التي تُبدّل حالتها في وحدة زمنية واحدة. وتُقاس الوحدة الزمنية بتردد التبديل، وعادةً ما يكون هذا التردد محدودًا في نطاق 10-20 ميجاهرتز وفقًا لإعدادات اختبار HTOL.

يسعى مهندسو الموثوقية إلى تفعيل أكبر عدد ممكن من الترانزستورات لكل وحدة زمنية. عادةً ما يتم تفعيل ذاكرة الوصول العشوائي (وأنواع الذاكرة الأخرى) باستخدام وظيفة الاختبار الذاتي المدمج (BIST ) ، بينما يتم تفعيل الدوائر المنطقية عادةً باستخدام وظيفة المسح الضوئي (SCAN ) أو مسجل الإزاحة ذي التغذية الراجعة الخطية (LFSR) أو الاختبار الذاتي المدمج (BIST) للدوائر المنطقية .

يتم تقييم استهلاك الطاقة والتسخين الذاتي للجزء الرقمي من الدائرة المتكاملة، ويُقدّر عمر الجهاز. تُضبط هاتان المقياستان بحيث تكونان مماثلتين لعمر العناصر الأخرى في الدائرة المتكاملة. وتتمثل درجات حرية ضبط هذه المقاييس في إجهاد الجهد و/أو الفترة الزمنية التي يُكرر خلالها برنامج اختبار التشغيل عالي الحرارة (HTOL) هذه الوحدات بالنسبة إلى وحدات الدائرة المتكاملة الأخرى.

يُعرف الاتجاه الحديث المتمثل في دمج أكبر عدد ممكن من المكونات الإلكترونية في شريحة واحدة باسم النظام على شريحة (SoC).

هذا الاتجاه يعقد عمل مهندسي الموثوقية لأن (عادةً) الجزء التناظري من الشريحة يبدد طاقة أعلى مقارنة بعناصر الدوائر المتكاملة الأخرى.

قد يؤدي هذا الارتفاع في الطاقة إلى توليد نقاط ساخنة ومناطق تقادم متسارع. يجب على مهندسي الموثوقية فهم توزيع الطاقة على الشريحة ومواءمة عملية التقادم بحيث تكون متماثلة لجميع عناصر الدائرة المتكاملة.

في نظامنا الافتراضي على شريحة واحدة (SoC)، لا تتضمن الوحدة التناظرية سوى منظم جهد. أما في الواقع، فقد توجد وحدات تناظرية إضافية، مثل وحدة إدارة الطاقة (PMIC) ، أو المذبذبات، أو مضخات الشحن . ولإجراء اختبارات إجهاد فعالة على العناصر التناظرية، يجب على مهندسي الموثوقية تحديد أسوأ سيناريو ممكن للوحدات التناظرية ذات الصلة في الدائرة المتكاملة. على سبيل المثال، قد يكون أسوأ سيناريو لمنظمات الجهد هو أقصى جهد تنظيم وأقصى تيار حمل؛ أما بالنسبة لمضخات الشحن، فقد يكون أدنى جهد تغذية وأقصى تيار حمل.

تتطلب الممارسات الهندسية الجيدة استخدام أحمال خارجية (مقاومة، ومحث، وسعة خارجية) لتوفير التيارات اللازمة. وتتجنب هذه الممارسة اختلافات الأحمال الناتجة عن اختلاف أنظمة تشغيل الشريحة وضبط تشغيل أجزائها التناظرية.

تُستخدم الأساليب الإحصائية للتحقق من التفاوتات الإحصائية ، والتباين، واستقرار درجة حرارة الأحمال المستخدمة، ولتحديد نطاقات الثقة المناسبة للأحمال لتجنب الإجهاد الزائد أو الناقص في نطاق تشغيل HTOL. وتشمل درجات الحرية لضبط مقدار التقادم للأجزاء التناظرية عادةً دورة التشغيل ، وقيم الأحمال الخارجية، وإجهاد الجهد.

يتم الربط بين الدائرة المتكاملة والعالم الخارجي عبر حلقة الإدخال/الإخراج. تحتوي هذه الحلقة على منافذ إدخال/إخراج الطاقة، ومنافذ إدخال/إخراج رقمية، ومنافذ إدخال/إخراج تناظرية. تُوصل منافذ الإدخال/الإخراج (عادةً) بالعالم الخارجي عبر غلاف الدائرة المتكاملة، وينفذ كل منفذ منها تعليمات أوامر خاصة به، مثل منافذ JTAG ، ومنافذ تزويد الطاقة للدائرة المتكاملة ، وما إلى ذلك. يهدف هندسة الموثوقية إلى اختبار جميع منافذ الإدخال/الإخراج بنفس طريقة اختبار عناصر الدائرة المتكاملة الأخرى. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام عملية مسح حدودي .

كما ذكرنا سابقاً، فإن الهدف الرئيسي من اختبار HTOL هو تعريض العينات للإجهاد الديناميكي عند جهد و/أو درجة حرارة مرتفعين. خلال عملية HTOL، يجب التأكد من أن الدائرة المتكاملة نشطة وتعمل باستمرار.

في الوقت نفسه، نحتاج إلى معرفة النقطة التي تتوقف عندها الدائرة المتكاملة عن الاستجابة، فهذه البيانات مهمة لحساب مؤشرات موثوقية الأسعار ولتسهيل تحليل الأعطال . ويتم ذلك من خلال مراقبة الجهاز عبر واحد أو أكثر من إشارات معلمات الدائرة المتكاملة الحيوية التي يرسلها ويسجلها جهاز اختبار التشغيل عالي الحرارة، مما يوفر مؤشرًا مستمرًا حول وظائف الدائرة المتكاملة طوال فترة تشغيل الاختبار. ومن أمثلة أجهزة المراقبة الشائعة الاستخدام إشارة علامة "اكتمل" للاختبار الذاتي المدمج، وسلسلة مخرجات المسح الضوئي، أو مخرج الوحدة التناظرية.

توجد ثلاثة أنواع من المراقبة:

1. مطابقة الأنماط: تتم مقارنة إشارة الخرج الفعلية بالإشارة المتوقعة، ويتم التنبيه عند حدوث أي انحراف. العيب الرئيسي لهذا النوع من أجهزة المراقبة هو حساسيته لأي انحراف طفيف عن الإشارة المتوقعة. أثناء اختبار تحمل درجات الحرارة العالية (HTOL)، تعمل الدائرة المتكاملة عند درجة حرارة و/أو جهد كهربائي قد يخرجان أحيانًا عن نطاق مواصفاتها، مما قد يتسبب في حساسية مصطنعة و/أو عطل يؤدي إلى فشل المطابقة ولكنه ليس عطلًا حقيقيًا.
2. النشاط: يحسب عدد مرات التبديل، وإذا تجاوزت النتائج عتبة محددة مسبقًا، يشير جهاز المراقبة إلى "موافق". العيب الرئيسي لهذا النوع من المراقبة هو احتمال تفسير التشويش أو الإشارة غير المتوقعة بشكل خاطئ. تظهر هذه المشكلة بشكل أساسي في حالة أجهزة المراقبة ذات عدد التبديلات المنخفض.
3. النشاط ضمن نطاق محدد مسبقًا: يتحقق من استجابة الشاشة ضمن حد محدد مسبقًا، على سبيل المثال عندما يكون عدد المفاتيح ضمن حد محدد مسبقًا أو يكون خرج منظم الجهد ضمن نطاق محدد مسبقًا.

وفقًا لمعايير JEDEC، يجب أن تكون غرفة الاختبار البيئية قادرة على الحفاظ على درجة الحرارة المحددة ضمن هامش خطأ ±5  درجات مئوية طوال فترة وجود الأجزاء فيها وفصلها عن مصدر الطاقة. تتمتع غرف الاختبار البيئية الحديثة بقدرات أفضل، ويمكنها الحفاظ على استقرار درجة الحرارة ضمن نطاق ±3  درجات مئوية طوال فترة الاختبار.

يمكن تشغيل الدوائر المتكاملة منخفضة الطاقة تحت ضغط عالٍ دون إيلاء اهتمام كبير لتأثيرات التسخين الذاتي. مع ذلك، ونظرًا لتطور التكنولوجيا واختلافات التصنيع، قد يتباين استهلاك الطاقة ضمن دفعة إنتاج واحدة من الأجهزة بنسبة تصل إلى 40%. هذا التباين، بالإضافة إلى الدوائر المتكاملة عالية الطاقة، يجعل أنظمة التحكم المتقدمة في درجة حرارة التلامس ضرورية لتوفير أنظمة تحكم فردية لكل دائرة متكاملة.

يجب ألا يقل جهد التشغيل عن الحد الأقصى المحدد للجهاز. وفي بعض الحالات، يُطبَّق جهد أعلى لتسريع عمر الجهاز من خلال زيادة الجهد ودرجة الحرارة.

لتحديد الحد الأقصى المسموح به لإجهاد الجهد، يمكن النظر في الطرق التالية:

1. قوة 80% من جهد الانهيار ؛
2. فرض قوة أقل بستة سيجما من جهد الانهيار؛
3. اضبط مستوى الجهد الزائد ليكون أعلى من الحد الأقصى للجهد المحدد. يُستخدم أحيانًا مستوى جهد زائد بنسبة 140% من الحد الأقصى للجهد في التطبيقات العسكرية وتطبيقات السيارات.

يجب على مهندسي الموثوقية التحقق من أن _إجهاد الجهد لا يتجاوز الحد الأقصى للجهد المقنن للتكنولوجيا ذات الصلة، كما هو محدد من قبل مصنع تصنيع الأجهزة.

عامل التسارع (AF) هو مضاعف يربط عمر المنتج عند مستوى إجهاد متسارع بعمره عند مستوى إجهاد الاستخدام.

يعني عامل التشغيل 20 أن ساعة واحدة في حالة الإجهاد تعادل 20 ساعة في حالة التشغيل المفيدة.

يُرمز لعامل تسريع الجهد بـ AFv. عادةً ما يكون جهد الإجهاد مساويًا أو أعلى من الجهد الأقصى. يوفر الجهد المرتفع تسريعًا إضافيًا، ويمكن استخدامه لزيادة ساعات تشغيل الجهاز الفعّالة أو الوصول إلى نقطة عمر مكافئة.

توجد عدة طرازات من المركبات القتالية المدرعة:

1. النموذج E أو النموذج الأسي للتسارع ذي المجال/الجهد الثابت؛
2. نموذج 1/E أو، بشكل مكافئ، نموذج حقن ثقب الأنود؛
3. نموذج V، حيث يكون معدل الفشل أُسّيًا بالنسبة للجهد
4. إطلاق الهيدروجين من المصعد وفقًا لنموذج قانون القوة

AFtemp هو عامل التسارع الناتج عن تغيرات درجة الحرارة، ويستند عادةً إلى معادلة أرهينيوس . عامل التسارع الكلي هو حاصل ضرب AFv و AFtemp.

تضمن مدة اختبار الموثوقية تلبية متطلبات العمر الافتراضي الكافية للجهاز.

على سبيل المثال، مع طاقة تنشيط تبلغ 0.7  إلكترون فولت، ودرجة حرارة إجهاد 125  درجة مئوية،  ودرجة حرارة استخدام 55 درجة مئوية، يكون عامل التسارع (معادلة أرهينيوس) 78.6. وهذا يعني أن مدة إجهاد 1000 ساعة تعادل 9 سنوات من الاستخدام. يحدد مهندس الموثوقية مدة اختبار التأهيل. وتوصي أفضل الممارسات الصناعية بـ 1000 ساعة عند درجة حرارة وصلة تبلغ 125  درجة مئوية.

يتمثل التحدي الذي يواجه أنظمة تقييم الموثوقية والتأهيل الجديدة في تحديد آليات الفشل ذات الصلة لتحسين حجم العينة.

تُستمد خطط أخذ العينات إحصائيًا من مخاطر المُصنِّع، ومخاطر المستهلك، ومعدل الفشل المتوقع. وتُعادل خطة أخذ العينات الشائعة الاستخدام، والتي تتضمن صفر رفض من أصل 230 عينة، ثلاثة رفض من أصل 668 عينة، بافتراض أن LTPD = 1 وفترة ثقة 90%.

يجب أن تشمل العينات عينات تمثيلية من ثلاث دفعات غير متتالية على الأقل لتمثيل التباين في عملية التصنيع. يجب تصنيع جميع عينات الاختبار ومعالجتها وفحصها وتجميعها بنفس الطريقة المتبعة خلال مرحلة الإنتاج.

يجب اختبار العينات قبل تعريضها للإجهاد وعند نقاط تفتيش محددة مسبقًا. ومن الممارسات الهندسية الجيدة اختبار العينات عند درجات الحرارة القصوى والدنيا المحددة، بالإضافة إلى درجة حرارة الغرفة. ويجب تجميع سجلات بيانات جميع الاختبارات الوظيفية والمعيارية لإجراء المزيد من التحليلات.

بافتراض أن Tj = 125  درجة مئوية، فإن نقاط التفتيش المستخدمة بشكل شائع تكون بعد 48 و 168 و 500 و 1000 ساعة.

يمكن حساب نقاط التفتيش المختلفة لدرجات حرارة مختلفة باستخدام معادلة أرهينيوس. على سبيل المثال، مع طاقة تنشيط تبلغ 0.7 إلكترون فولت، ودرجة حرارة تشغيل _تبلغ 135  درجة مئوية، ودرجة حرارة _{استخدام} تبلغ 55  درجة مئوية، ستكون نقاط التفتيش المكافئة عند 29 و102 و303 و606 ساعات.

ينبغي إجراء الاختبارات الكهربائية في أسرع وقت ممكن بعد إزالة العينات. إذا تعذر اختبار العينات فور إزالتها، فيجب تطبيق فترة إجهاد إضافية. ينص معيار JEDEC على ضرورة اختبار العينات في غضون 168 ساعة من إزالتها.

إذا تجاوز الاختبار الفترة الزمنية الموصى بها، فيجب تطبيق ضغط إضافي وفقًا للجدول أدناه: ^{[ 2 ]}

رقم الجدارة هو نتيجة خطط أخذ العينات الإحصائية .

تُدخل خطط المعاينة إلى برنامج SENTENCE، وهو أداة تدقيق، لضمان مطابقة مخرجات العملية للمتطلبات. يقوم برنامج SENTENCE ببساطة بقبول أو رفض الدفعات المختبرة. يُنفذ مهندس الموثوقية خطط المعاينة الإحصائية بناءً على حدود جودة القبول المحددة مسبقًا، وفترة السماح طويلة الأجل (LTPD)، ومخاطر المُصنِّع، ومخاطر العميل. على سبيل المثال، خطة المعاينة الشائعة الاستخدام التي لا تتضمن أي رفض من أصل 230 عينة تُعادل 3 حالات رفض من أصل 668 عينة بافتراض أن فترة السماح طويلة الأجل (LTPD) تساوي 1.

أمثلة على ظروف استخدام السيارات ^{[ 1 ]}

مثال على تعريف شروط استخدام شركة الاتصالات الأوروبية

مثال على تعريف شروط استخدام شركة يو إس تيليكوم

شروط الاستخدام العسكري على سبيل المثال

عدد حالات الفشل = r

عدد الأجهزة = D

ساعات الاختبار لكل جهاز = H

درجة الحرارة المئوية + 273 = T (حساب درجة الحرارة بالكلفن)

درجة حرارة الاختبار (HTRB أو درجة حرارة الاحتراق الأخرى) =${\displaystyle T_{\text{test}}}$

درجة الحرارة المستخدمة (موحدة عند 55  درجة مئوية أو 328 كلفن) =${\displaystyle T_{\text{use}}}$

طاقة التنشيط (إلكترون فولت) =${\displaystyle E_{\text{a}}}$

${\displaystyle {\text{X}}^{2}(\alpha ,\nu )}$مربع كاي/2 هو تقدير احتمالية عدد حالات الفشل عند α و ν

مستوى الثقة لتوزيع X^2؛ تستخدم حسابات الموثوقية α=60% أو 0.60 = α (ألفا)

درجات الحرية لـ${\displaystyle X^{2}}$التوزيع؛ تستخدم حسابات الموثوقية المعادلة ν=2r + 2.0 = ν (nu)

معامل التسارع من معادلة أرهينيوس =${\displaystyle A_{\text{f}}}$

ثابت بولتزمان (${\displaystyle \hbar }$) =8.617 × 10 ⁻⁵  إلكترون فولت/كلفن

ساعات تشغيل الجهاز ( DH ) = D × H

ساعات تشغيل الجهاز المكافئة ( EDH ) = D × H ×${\displaystyle A_{\text{f}}}$

معدل الفشل في الساعة =${\displaystyle \lambda _{\text{hours}}}$

معدل الفشل في الوقت المناسب = معدل الفشل لكل مليار ساعة = FIT =${\displaystyle \lambda _{\text{FIT}}}$

متوسط ​​الوقت حتى الفشل = MTTF

حيث يكون عامل التسارع من معادلة أرهينيوس هو:${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}}$

معدل الفشل في الساعة =${\displaystyle \lambda _{\text{hour}}={\frac {X^{2}(\alpha ,\nu )}{2\times D\times H\times A_{\text{f}}}}={\frac {X^{2}(\alpha ,\nu )}{2\times EDH}}}$

معدل الفشل في الوقت المناسب = معدل الفشل لكل مليار ساعة = FIT =${\displaystyle \lambda _{\text{FIT}}=\lambda _{\text{hours}}\times 10^{9}}$

متوسط ​​الوقت حتى التعطل بالساعات = ${\displaystyle MTTF_{\text{hours}}={\frac {1}{\lambda _{\text{hours}}}}}$

متوسط ​​الوقت حتى الفشل بالسنوات = ${\displaystyle MTTF_{\text{years}}={\frac {1}{(\lambda _{\text{hours}}\times 24\times 365)}}}$´

في حال رغبتك في حساب عامل التسارع الذي يشمل الرطوبة، فيما يُعرف باختبار الإجهاد عالي التسارع ( HAST )، فإليك ما يلي:

سيكون عامل التسارع من معادلة أرهينيوس كما يلي:${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{test}}-{\text{HR}}_{\text{use}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}}$

أين${\displaystyle {\text{HR}}_{\text{test}}}$يمثل اختبار الإجهاد الرطوبة النسبية (كنسبة مئوية). وعادةً ما تكون 85%.

أين${\displaystyle {\text{HR}}_{\text{use}}}$يُعدّ قياس الرطوبة النسبية (كنسبة مئوية) هو الاستخدام النموذجي. وعادةً ما يتم قياسها على سطح الشريحة بنسبة تتراوح بين 10 و20%.

أين${\displaystyle \beta }$هو عامل مقياس آلية الفشل، وقيمته تتراوح بين 0.1 و 0.15.

في حال رغبتك في حساب عامل التسارع الذي يشمل الرطوبة ( HAST ) والإجهاد الكهربائي، فإليك ما يلي:

سيكون عامل التسارع من معادلة أرهينيوس كما يلي:${\displaystyle \displaystyle A_{\text{f}}=e^{\zeta \times ({\text{V}}_{\text{test}}-{\text{V}}_{\text{use}})}\times e^{\beta \times ({\text{HR}}_{\text{test}}-{\text{HR}}_{\text{use}})}\times e^{{\frac {E_{\text{a}}}{\hbar }}\times ({\frac {1}{T_{\text{use}}}}-{\frac {1}{T_{\text{test}}}})}}$

أين${\displaystyle {\text{V}}_{\text{test}}}$يمثل جهد الإجهاد (بالفولت). عادةً ما يكون VCC × 1.4 فولت. على سبيل المثال، 1.8 × 1.4 = 2.52 فولت.

أين${\displaystyle {\text{V}}_{\text{use}}}$يمثل VCC جهد الاستخدام النموذجي (بالفولت). عادةً ما يكون VCC 1.8 فولت، وذلك حسب التصميم.

أين${\displaystyle \zeta }$يمثل عامل مقياس آلية الفشل، وهو قيمة تتراوح بين 0 و 3.0، وعادةً ما تكون 0.5 لعيوب وصلات السيليكون.

غالبًا ما يتطلب تقييم فشل الأجهزة المختبرة في ظل ظروف التحميل العادية استقراء نتائج اختبارات HTOL. وتواجه نماذج فيزياء الفشل والنماذج القائمة على البيانات صعوبة في الاستقراء، ولذلك تُفضّل النماذج الهجينة لهذه المهمة. ومن الأمثلة على ذلك سلاسل ماركوف المستندة إلى الفيزياء، والتي تستنتج ديناميكية الفشل من البيانات التجريبية، وتستفيد من أوجه التشابه الميكانيكية بين حالة الاختبار ومجموعة البيانات لاستقراء التنبؤات. ^{[ 4 ]}