專利名稱：：一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法
技術領域：
：本發(fā)明提供一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，尤其涉及一種基于失效物理模型對閃存類電子產(chǎn)品進行壽命預測的方法，屬于電子產(chǎn)品的壽命預測技術。(二)
背景技術：
：目前，工程實際中主要采用GJB/Z299C(我國軍標-電子設備可靠性預計手冊)以及MIL-HDBK-217F(美國軍標-電子設備可靠性預計)來對電子產(chǎn)品/設備的失效率進行預計。這種基于標準或手冊的方法，是一種以大量的失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)(包括現(xiàn)場或試驗室統(tǒng)計)為基礎的概率統(tǒng)計方法，其正確性受到越來越多的質(zhì)疑。同時，由于電子產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的復雜性，及其發(fā)展速度遠遠大于失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計速度，存在著標準或手冊中沒有提供相關數(shù)據(jù)對某些電子產(chǎn)品進行預計的問題。此外，基于標準或手冊的方法只能對失效率進行預測，而無法對電子產(chǎn)品經(jīng)歷了包括使用環(huán)境在內(nèi)的壽命周期環(huán)境后的壽命進行準確的預測。閃存類電子產(chǎn)品如U盤等，由于其具有外形小巧、攜帶方便、使用便捷、成本低廉等特點而得到了廣泛的應用。伹在實際使用過程中，存在著可靠性差，易發(fā)生損壞(如無法識別等)，數(shù)據(jù)易丟失等問題。如能實現(xiàn)對其壽命的預測，就可以在失效發(fā)生前即告知使用者采取相應的措施，從而避免遭受無法彌補的損失。(三)
發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明提出了一種基于失效物理模型對閃存類電子產(chǎn)品的壽命進行預測的方法。本發(fā)明一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，它包括如下步驟(1)對閃存類電子產(chǎn)品的失效模式等失效信息以及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝等器件信息進行分析，確定潛在的失效機理及其失效物理模型；(2)確定影響失效機理的環(huán)境應力參數(shù)一般地，根據(jù)失效機理及其失效物理模型的分析即可直接確定造成產(chǎn)品某種失效機理的主要環(huán)境應力，可以是絕對溫度、溫度循環(huán)、振動、濕度等應力參數(shù)。(3)確定失效物理模型中的涉及的相關參數(shù)，包括幾何參數(shù)、材料參數(shù)和工作應力參數(shù)等；(4)對產(chǎn)品經(jīng)歷的壽命周期內(nèi)的環(huán)境應力進行監(jiān)測和記錄一般地，需要借助各種環(huán)境應力傳感器(如溫度傳感器、濕度傳感器等)等，采取人工或自動方式獲得。(5)將連續(xù)的環(huán)境應力變化區(qū)間劃分成合適的離散小區(qū)間，以表征產(chǎn)品所經(jīng)歷的不同環(huán)境應力水平，并統(tǒng)計各個小區(qū)間內(nèi)的產(chǎn)品經(jīng)歷時間；(6)利用已經(jīng)確定的各個失效物理模型，分別計算不同應力水平下的預計失效前時間(TTF):—般地，產(chǎn)品的失效物理模型即直接表示了TTF與各類參數(shù)之間的函數(shù)關系，在確定了模型中的相關參數(shù)后就可直接計算得到對應于不同應力水平的不同TTF值。(7)根據(jù)損傷定義，分別計算產(chǎn)品在每個應力水平下由于不同的失效機理而造成的壽命損傷；(8)根據(jù)累積損傷理論，分別計算產(chǎn)品經(jīng)歷一段時間后由于不同的失效機理而造成的累積損傷；(9)對不同失效機理下的產(chǎn)品剩余壽命進行預測；(10)根據(jù)失效機理競爭模型，預測整個產(chǎn)品的剩余壽命。其中，在步驟(l)中所述失效機理的確定直接決定產(chǎn)品壽命預測結(jié)果的準確程度，一般來講需要借助工程經(jīng)驗、歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息以及各種技術手段加以確定。確定的潛在失效機理越多，越能反映產(chǎn)品的真實情況。其中，在步驟(l)中所述失效機理的失效物理模型可以通過大量公開發(fā)表的文獻、報告等獲得。其中，在步驟(2)中所述環(huán)境應力參數(shù)是指產(chǎn)品實際經(jīng)歷的環(huán)境條件的記錄獲得，反映了經(jīng)歷不同工作、環(huán)境條件的不同產(chǎn)品個體之間實際壽命的差異。其中，在步驟(3)中所述幾何、材料以及工作應力等相關參數(shù)的確定可以通過產(chǎn)品相關的標準、技術手冊、使用說明等途徑獲得。其中，在步驟(5)中所述環(huán)境應力區(qū)間劃分的原則是保證產(chǎn)品在所劃分的應力區(qū)間內(nèi)，不同失效機理造成的壽命損傷區(qū)別不大。其中，在步驟(7)中所述的損傷定義為產(chǎn)品工作于一定的應力水平下會產(chǎn)生一定量的損傷，損傷的程度與在這樣的應力水平下整個持續(xù)時間以及在這樣的應力水平下正常產(chǎn)品發(fā)生失效所需要總時間相關。即不同應力水平下的損傷百分比可以近似由該應力水平下產(chǎn)品的實際工作時間同該應力水平下預計的產(chǎn)品失效前時間的比值來確定，可以表示為-y777^.其中，^為對應于第/個失效機理的，在第y個應力水平下的產(chǎn)品實際工作時間；T7^為根據(jù)失效物理模型預計的不同應力水平下產(chǎn)品的失效前時間；A,為產(chǎn)品在第7'個不同應力水平下工作后由于第/個失效機理造成的損傷百分比。其中，在步驟(8)中所述累積損傷的計算公式為-其中，AD,為對應于第/個失效機理的，經(jīng)過一段工作時間iV后造成的累積損傷；iV為到預測壽命時刻產(chǎn)品經(jīng)歷的實際工作時間。其中，在步驟(9)中所述剩余壽命的計算公式為力M乂=1其中，i^,為對應于第/個失效機理的剩余壽命。其中，在步驟(IO)中所述的失效機理競爭模型為i^=min(叫，iZ2，…U其中，及A為整個產(chǎn)品在iV時刻的剩余壽命。本發(fā)明一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其優(yōu)點及功效在于它可以根據(jù)產(chǎn)品的實際使用情況，定量化地預測產(chǎn)品的剩余壽命。進一步地，在考慮分散性的基礎上，可以利用成熟的數(shù)學方法求得產(chǎn)品的失效率以及可靠度等指標。與現(xiàn)有方法(基于標準/手冊的方法)相比，本發(fā)明所提出的基于失效物理模型進行壽命預測的方法具有定量化、更準確、適應性更強等特征。圖l是本發(fā)明的實施步驟流程示意圖。圖2是產(chǎn)品實際經(jīng)歷的環(huán)境應力(溫度)參數(shù)記錄示意圖。圖3是累積損傷的計算結(jié)果示意圖。圖中標號及符號說明如下表示第/種失效機理下的失效前時間；/()表示每種失效機理的失效物理模型函數(shù)；g,W,/7,e,…表示影響失效機理的幾何、材料、工作、環(huán)境等參數(shù)；/=1,一,"表示產(chǎn)品的失效機理數(shù)；&表示第/種失效機理的第y'個應力水平；y、l,…,w表示第/種失效機理的應力水平的劃分區(qū)間數(shù)；~表示第/種失效機理的第_/個應力水平下的經(jīng)歷時間；"y表示第/種失效機理的第_/個應力水平下的壽命損傷；表示第/種失效機理的下的壽命累積損傷；i丄，表示第/種失效機理下的剩余壽命。具體實施例方式下面將結(jié)合圖l和某型閃存產(chǎn)品案例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。見圖1所示，為本發(fā)明方法的實施步驟流程示意圖，針對一個實際的閃存產(chǎn)品案例，進行壽命預測。本發(fā)明一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，它包括如下步驟-(1)通過分析閃存產(chǎn)品的特點、結(jié)構(gòu)組成以及主要失效模式等，確定了某型閃存的潛在失效機理包括印制電路板PTH(電鍍通孔)的疲勞失效，有引腳形式芯片封裝結(jié)構(gòu)焊點的疲勞失效，金屬互連線部位的電遷移失效以及MOS(金屬氧化物半導體)管氧化層內(nèi)的熱載流子退化失效。通過自行研究建立或文獻檢索可獲得上述失效機理的失效物理模型分別為a)PTH疲勞失效的失效物理模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中下標s表示基板相關的參數(shù)；下標^表示PTH鍍層相關的參數(shù)；為PTH鍍層中的應力函數(shù)；c(z)為PTH鍍層中的應變函數(shù)；z為沿PTH軸向的位置坐標；"為熱膨脹系數(shù)；￡為彈性模量；Ar為溫度循環(huán)幅值；/=//2為基板厚度的一半；^為PCB材料的剪切模量；r。為PTH的鉆孔半徑；？為PTH的鍍層厚度；i為有效的基板作用半徑。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>化式中A^為預計的平均疲勞壽命(即失效前循環(huán)周期數(shù))；",為PTH鍍層材料斷裂應變(或稱疲勞耐久性系數(shù))；&為？7^鍍層材料斷裂強度；As為總應變(由上述應力-應變評估模型確定)。b)焊點疲勞失效的失效物理模型1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中^/為器件失效前循環(huán)周期數(shù)(疲勞壽命)的中位值(器件樣本總體50%失效的循環(huán)周期數(shù))；厶『(/"'/6//"3)為最大循環(huán)應變能密度；2￡/為疲勞耐久系數(shù)(對于共晶焊點材料取值為0.65);C為疲勞耐久指數(shù)；對于共晶焊點材料有c=-0.442-(6x10")L+1.74x10—2ln(l+360〃》式中7^(°0=0.25(7;+7;+27;)為焊點的平均周期溫度；？;,7;cc)分別為襯底(substrate)和器件(component)的穩(wěn)態(tài)工作溫度；r。(。C)為不工作半周期內(nèi)的溫度；^為半周期內(nèi)的高溫持續(xù)時間。其中，最大循環(huán)應變能密度為緣=F——^——(ZDAaAre)2式中F為與理想化假設相關的經(jīng)驗系數(shù)(一般取值范圍為0.5-1.5，典型取值為1.0左右，由焊點的預測壽命與實際疲勞失效壽命結(jié)果的吻合程度確定)；7^(/6//")為未受約束時器件焊點在對角線方向的彎曲剛度；J(ZV)為焊點的有效面積(2/3倍的焊點突出于焊盤之外的粘接面積)；W附!'W為焊點的名義高度(一般假定為焊點粘接層厚度的一半，取值范圍為4-5m&);;(m/W為器件的長度(正方形器件的對角線長度的一半即0.707倍邊長，矩形器件的0.5倍長邊長)；A"A7;-"。A7;-",7;為由于器件和襯底的熱膨脹系數(shù)不同而引起的應變絕對值；^A(P，/'C)分別為器件和襯底的熱膨脹系數(shù)；7;,7XC)分別為器件和襯底的溫度；A;，A7;CC)分別為器件和襯底溫度變化幅值。c)電遷移失效的失效物理模型歸r3&Q3式中，『為局部線寬0im);"為局部線厚0im);五"為激活能(eV);y'為電流密度(A/cm2》r為絕對溫度('C);A:為波爾茲曼常數(shù)；C為實驗常數(shù)。d)熱載流子退化失效的失效模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中，^、5,為實驗參數(shù)；Fz)為漏端電壓；Fz^,為漏端飽和電壓；^為溝道電流；/^為襯底電流；《為MOS管有效溝道長度0im);^為實驗常數(shù)。(2)通過對失效機理及其模型的分析，可以得知主要環(huán)境應力為溫度、振動等，為了便于說明，本案例中僅選擇溫度參數(shù)，具體包括溫度循環(huán)幅值以及最高溫度值。(3)通過查閱產(chǎn)品的相關技術文檔，可以確定相關的幾何、材料、工作參數(shù)如下列表所示a)PTH疲勞失效物理模型的輸入?yún)?shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>》主這里等效半徑的確定考慮了基板中可能產(chǎn)生最大應力的那個PTH孔。b)焊點疲勞失效物理模型的輸入?yún)?shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>C)-d)電遷移失效和熱載流子退化失效物理模型的輸入?yún)?shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(4)記錄的產(chǎn)品實際使用環(huán)境溫度應力參數(shù)如圖2所示(橫坐標為監(jiān)測天數(shù))(5)針對上述連續(xù)的溫度記錄，可劃分為兩個區(qū)間，分別是0-125125°C和25°C~135°C，每個應力區(qū)間內(nèi)實際經(jīng)歷的時間如上圖所示。(6)根據(jù)上述失效機理的失效物理模型，可以分別計算出每個失效機理在不同的溫度應力水平下的理論壽命。:應力水平PTHHynix焊點iCreat焊點電遷移i熱載流子0°C~125°C:25°C~135°C7600cycles760天*12400cycles28911cycles2891天*23620cycles123333cycles12333天*98104cycles277h460h332天"276天*197h460h1240天*—2362天*9810天*236天"1276天一；注按10cycles/天計算；按10cycles/天，高溫持續(xù)時間5mins/cycles計算；'"按10cycles/天，加電持續(xù)時間10mins/cycles計算。(7)-(8)根據(jù)損傷定義，可獲得不同應力水平下的壽命損傷。進一步地，可以計算得到在不同時刻，產(chǎn)品在不同失效機理作用下的累積損傷如圖3所示(9)-(10)根據(jù)剩余壽命計算公式及失效機理競爭模型，可進一步計算得到每種失效機理下的剩余壽命和整個產(chǎn)品的剩余壽命。按前述公式可很容易地計算得到，此處不再贅述。權(quán)利要求1.一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于它包括如下步驟(1)對閃存類電子產(chǎn)品的失效模式等失效信息以及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝等器件信息進行分析，確定潛在的失效機理及其失效物理模型；(2)確定影響失效機理的環(huán)境應力參數(shù)一般地，根據(jù)失效機理及其失效物理模型的分析即可直接確定造成產(chǎn)品某種失效機理的主要環(huán)境應力，可以是絕對溫度、溫度循環(huán)、振動、濕度等應力參數(shù)；(3)確定失效物理模型中的涉及的相關參數(shù)，包括幾何參數(shù)、材料參數(shù)和工作應力參數(shù)等；(4)對產(chǎn)品經(jīng)歷的壽命周期內(nèi)的環(huán)境應力進行監(jiān)測和記錄一般地，需要借助各種環(huán)境應力傳感器，采取人工或自動方式獲得；(5)將連續(xù)的環(huán)境應力變化區(qū)間劃分成合適的離散小區(qū)間，以表征產(chǎn)品所經(jīng)歷的不同環(huán)境應力水平，并統(tǒng)計各個小區(qū)間內(nèi)的產(chǎn)品經(jīng)歷時間；(6)利用已經(jīng)確定的各個失效物理模型，分別計算不同應力水平下的預計失效前時間即TTF，一般地，產(chǎn)品的失效物理模型即直接表示了TTF與各類參數(shù)之間的函數(shù)關系，在確定了模型中的相關參數(shù)后就可直接計算得到對應于不同應力水平的不同TTF值；(7)根據(jù)損傷定義，分別計算產(chǎn)品在每個應力水平下由于不同的失效機理而造成的壽命損傷；(8)根據(jù)累積損傷理論，分別計算產(chǎn)品經(jīng)歷一段時間后由于不同的失效機理而造成的累積損傷；(9)對不同失效機理下的產(chǎn)品剩余壽命進行預測；(10)根據(jù)失效機理競爭模型，預測整個產(chǎn)品的剩余壽命。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(l)中所述失效機理的確定直接決定產(chǎn)品壽命預測結(jié)果的準確程度，一般來講需要借助工程經(jīng)驗、歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息以及各種技術手段加以確定；確定的潛在失效機理越多，越能反映產(chǎn)品的真實情況；所述的失效機理的失效物理模型可以通過大量公開發(fā)表的文獻、報告等獲得。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(2)中所述環(huán)境應力參數(shù)是指產(chǎn)品實際經(jīng)歷的環(huán)境條件的記錄獲得，反映了經(jīng)歷不同工作、環(huán)境條件的不同產(chǎn)品個體之間實際壽命的差異。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(3)中所述幾何、材料以及工作應力等相關參數(shù)的確定可以通過產(chǎn)品相關的標準、技術手冊、使用說明等途徑獲得。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(5)中所述環(huán)境應力區(qū)間劃分的原則是保證產(chǎn)品在所劃分的應力區(qū)間內(nèi)，不同失效機理造成的壽命損傷區(qū)別不大。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(7)中所述的損傷定義為產(chǎn)品工作于一定的應力水平下會產(chǎn)生一定量的損傷，損傷的程度與在這樣的應力水平下整個持續(xù)時間以及在這樣的應力水平下正常產(chǎn)品發(fā)生失效所需要總時間相關；即不同應力水平下的損傷百分比可以近似由該應力水平下產(chǎn)品的實際工作時間同該應力水平下預計的產(chǎn)品失效前時間的比值來確定，可以表示為t.其中，^為對應于第；個失效機理的，在第7'個應力水平下的產(chǎn)品實際工作時間；"巧為根據(jù)失效物理模型預計的不同應力水平下產(chǎn)品的失效前時間；i^為產(chǎn)品在第7'個不同應力水平下工作后由于第/個失效機理造成的損傷百分比。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(8)中所述累積損傷的計算公式為'其中，^A為對應于第；個失效機理的，經(jīng)過一段工作時間iV后造成的累積損傷；7V為到預測壽命時刻產(chǎn)品經(jīng)歷的實際工作時間。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(9)中所述剩余壽命的計算公式為其中，i^,為對應于第/個失效機理的剩余壽命。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法，其特征在于在步驟(10)中所述的失效機理競爭模型為ii^=min(i厶，i4,…,及丄")其中，及A為整個產(chǎn)品在W時刻的剩余壽命。全文摘要一種閃存類電子產(chǎn)品的壽命預測方法包括如下步驟(1)對產(chǎn)品失效模式等失效信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝等器件信息進行分析，確定潛在失效機理及其失效物理模型；(2)確定影響失效機理的環(huán)境應力；(3)確定失效物理模型中的相關參數(shù)；(4)對產(chǎn)品實際經(jīng)歷的環(huán)境應力進行監(jiān)測和記錄；(5)將環(huán)境應力變化區(qū)間劃分成合適的小區(qū)間，并統(tǒng)計各個小區(qū)間內(nèi)的產(chǎn)品經(jīng)歷時間；(6)利用失效物理模型分別計算不同應力水平下的預計失效前時間；(7)分別計算產(chǎn)品在每個應力水平下由于不同失效機理造成的壽命損傷；(8)分別計算產(chǎn)品由于不同失效機理造成的壽命累積損傷；(9)預測不同失效機理下的產(chǎn)品剩余壽命；(10)預測整個產(chǎn)品的剩余壽命。文檔編號G11C29/00GK101266840SQ20081010431公開日2008年9月17日申請日期2008年4月17日優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日發(fā)明者羿任,強馮,博孫,曾聲奎申請人:北京航空航天大學