专利名称：：一种闪存类电子产品的寿命预测方法
技术领域：
：本发明提供一种闪存类电子产品的寿命预测方法，尤其涉及一种基于失效物理模型对闪存类电子产品进行寿命预测的方法，属于电子产品的寿命预测技术。(二)
背景技术：
：目前，工程实际中主要采用GJB/Z299C(我国军标-电子设备可靠性预计手册)以及MIL-HDBK-217F(美国军标-电子设备可靠性预计)来对电子产品/设备的失效率进行预计。这种基于标准或手册的方法，是一种以大量的失效统计数据(包括现场或试验室统计)为基础的概率统计方法，其正确性受到越来越多的质疑。同时，由于电子产品自身结构的复杂性，及其发展速度远远大于失效数据的统计速度，存在着标准或手册中没有提供相关数据对某些电子产品进行预计的问题。此外，基于标准或手册的方法只能对失效率进行预测，而无法对电子产品经历了包括使用环境在内的寿命周期环境后的寿命进行准确的预测。闪存类电子产品如U盘等，由于其具有外形小巧、携带方便、使用便捷、成本低廉等特点而得到了广泛的应用。伹在实际使用过程中，存在着可靠性差，易发生损坏(如无法识别等)，数据易丢失等问题。如能实现对其寿命的预测，就可以在失效发生前即告知使用者采取相应的措施，从而避免遭受无法弥补的损失。(三)
发明内容针对上述问题，本发明提出了一种基于失效物理模型对闪存类电子产品的寿命进行预测的方法。本发明一种闪存类电子产品的寿命预测方法，它包括如下步骤(1)对闪存类电子产品的失效模式等失效信息以及产品的结构工艺等器件信息进行分析，确定潜在的失效机理及其失效物理模型；(2)确定影响失效机理的环境应力参数一般地，根据失效机理及其失效物理模型的分析即可直接确定造成产品某种失效机理的主要环境应力，可以是绝对温度、温度循环、振动、湿度等应力参数。(3)确定失效物理模型中的涉及的相关参数，包括几何参数、材料参数和工作应力参数等；(4)对产品经历的寿命周期内的环境应力进行监测和记录一般地，需要借助各种环境应力传感器(如温度传感器、湿度传感器等)等，采取人工或自动方式获得。(5)将连续的环境应力变化区间划分成合适的离散小区间，以表征产品所经历的不同环境应力水平，并统计各个小区间内的产品经历时间；(6)利用已经确定的各个失效物理模型，分别计算不同应力水平下的预计失效前时间(TTF):—般地，产品的失效物理模型即直接表示了TTF与各类参数之间的函数关系，在确定了模型中的相关参数后就可直接计算得到对应于不同应力水平的不同TTF值。(7)根据损伤定义，分别计算产品在每个应力水平下由于不同的失效机理而造成的寿命损伤；(8)根据累积损伤理论，分别计算产品经历一段时间后由于不同的失效机理而造成的累积损伤；(9)对不同失效机理下的产品剩余寿命进行预测；(10)根据失效机理竞争模型，预测整个产品的剩余寿命。其中，在步骤(l)中所述失效机理的确定直接决定产品寿命预测结果的准确程度，一般来讲需要借助工程经验、历史数据、产品信息以及各种技术手段加以确定。确定的潜在失效机理越多，越能反映产品的真实情况。其中，在步骤(l)中所述失效机理的失效物理模型可以通过大量公开发表的文献、报告等获得。其中，在步骤(2)中所述环境应力参数是指产品实际经历的环境条件的记录获得，反映了经历不同工作、环境条件的不同产品个体之间实际寿命的差异。其中，在步骤(3)中所述几何、材料以及工作应力等相关参数的确定可以通过产品相关的标准、技术手册、使用说明等途径获得。其中，在步骤(5)中所述环境应力区间划分的原则是保证产品在所划分的应力区间内，不同失效机理造成的寿命损伤区别不大。其中，在步骤(7)中所述的损伤定义为产品工作于一定的应力水平下会产生一定量的损伤，损伤的程度与在这样的应力水平下整个持续时间以及在这样的应力水平下正常产品发生失效所需要总时间相关。即不同应力水平下的损伤百分比可以近似由该应力水平下产品的实际工作时间同该应力水平下预计的产品失效前时间的比值来确定，可以表示为-y777^.其中，^为对应于第/个失效机理的，在第y个应力水平下的产品实际工作时间；T7^为根据失效物理模型预计的不同应力水平下产品的失效前时间；A,为产品在第7'个不同应力水平下工作后由于第/个失效机理造成的损伤百分比。其中，在步骤(8)中所述累积损伤的计算公式为-其中，AD,为对应于第/个失效机理的，经过一段工作时间iV后造成的累积损伤；iV为到预测寿命时刻产品经历的实际工作时间。其中，在步骤(9)中所述剩余寿命的计算公式为力M乂=1其中，i^,为对应于第/个失效机理的剩余寿命。其中，在步骤(IO)中所述的失效机理竞争模型为i^=min(叫，iZ2，…U其中，及A为整个产品在iV时刻的剩余寿命。本发明一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其优点及功效在于它可以根据产品的实际使用情况，定量化地预测产品的剩余寿命。进一步地，在考虑分散性的基础上，可以利用成熟的数学方法求得产品的失效率以及可靠度等指标。与现有方法(基于标准/手册的方法)相比，本发明所提出的基于失效物理模型进行寿命预测的方法具有定量化、更准确、适应性更强等特征。图l是本发明的实施步骤流程示意图。图2是产品实际经历的环境应力(温度)参数记录示意图。图3是累积损伤的计算结果示意图。图中标号及符号说明如下表示第/种失效机理下的失效前时间；/()表示每种失效机理的失效物理模型函数；g,W,/7,e,…表示影响失效机理的几何、材料、工作、环境等参数；/=1,一,"表示产品的失效机理数；&表示第/种失效机理的第y'个应力水平；y、l,…,w表示第/种失效机理的应力水平的划分区间数；~表示第/种失效机理的第_/个应力水平下的经历时间；"y表示第/种失效机理的第_/个应力水平下的寿命损伤；表示第/种失效机理的下的寿命累积损伤；i丄，表示第/种失效机理下的剩余寿命。具体实施例方式下面将结合图l和某型闪存产品案例，对本发明作进一步的详细说明。见图1所示，为本发明方法的实施步骤流程示意图，针对一个实际的闪存产品案例，进行寿命预测。本发明一种闪存类电子产品的寿命预测方法，它包括如下步骤-(1)通过分析闪存产品的特点、结构组成以及主要失效模式等，确定了某型闪存的潜在失效机理包括印制电路板PTH(电镀通孔)的疲劳失效，有引脚形式芯片封装结构焊点的疲劳失效，金属互连线部位的电迁移失效以及MOS(金属氧化物半导体)管氧化层内的热载流子退化失效。通过自行研究建立或文献检索可获得上述失效机理的失效物理模型分别为a)PTH疲劳失效的失效物理模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中下标s表示基板相关的参数；下标^表示PTH镀层相关的参数；为PTH镀层中的应力函数；c(z)为PTH镀层中的应变函数；z为沿PTH轴向的位置坐标；"为热膨胀系数；￡为弹性模量；Ar为温度循环幅值；/=//2为基板厚度的一半；^为PCB材料的剪切模量；r。为PTH的钻孔半径；？为PTH的镀层厚度；i为有效的基板作用半径。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>化式中A^为预计的平均疲劳寿命(即失效前循环周期数)；",为PTH镀层材料断裂应变(或称疲劳耐久性系数)；&为？7^镀层材料断裂强度；As为总应变(由上述应力-应变评估模型确定)。b)焊点疲劳失效的失效物理模型1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中^/为器件失效前循环周期数(疲劳寿命)的中位值(器件样本总体50%失效的循环周期数)；厶『(/"'/6//"3)为最大循环应变能密度；2￡/为疲劳耐久系数(对于共晶焊点材料取值为0.65);C为疲劳耐久指数；对于共晶焊点材料有c=-0.442-(6x10")L+1.74x10—2ln(l+360〃》式中7^(°0=0.25(7;+7;+27;)为焊点的平均周期温度；？;,7;cc)分别为衬底(substrate)和器件(component)的稳态工作温度；r。(。C)为不工作半周期内的温度；^为半周期内的高温持续时间。其中，最大循环应变能密度为緣=F——^——(ZDAaAre)2式中F为与理想化假设相关的经验系数(一般取值范围为0.5-1.5，典型取值为1.0左右，由焊点的预测寿命与实际疲劳失效寿命结果的吻合程度确定)；7^(/6//")为未受约束时器件焊点在对角线方向的弯曲刚度；J(ZV)为焊点的有效面积(2/3倍的焊点突出于焊盘之外的粘接面积)；W附!'W为焊点的名义高度(一般假定为焊点粘接层厚度的一半，取值范围为4-5m&);;(m/W为器件的长度(正方形器件的对角线长度的一半即0.707倍边长，矩形器件的0.5倍长边长)；A"A7;-"。A7;-",7;为由于器件和衬底的热膨胀系数不同而引起的应变绝对值；^A(P，/'C)分别为器件和衬底的热膨胀系数；7;,7XC)分别为器件和衬底的温度；A;，A7;CC)分别为器件和衬底温度变化幅值。c)电迁移失效的失效物理模型歸r3&Q3式中，『为局部线宽0im);"为局部线厚0im);五"为激活能(eV);y'为电流密度(A/cm2》r为绝对温度('C);A:为波尔兹曼常数；C为实验常数。d)热载流子退化失效的失效模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中，^、5,为实验参数；Fz)为漏端电压；Fz^,为漏端饱和电压；^为沟道电流；/^为衬底电流；《为MOS管有效沟道长度0im);^为实验常数。(2)通过对失效机理及其模型的分析，可以得知主要环境应力为温度、振动等，为了便于说明，本案例中仅选择温度参数，具体包括温度循环幅值以及最高温度值。(3)通过查阅产品的相关技术文档，可以确定相关的几何、材料、工作参数如下列表所示a)PTH疲劳失效物理模型的输入参数<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>》主这里等效半径的确定考虑了基板中可能产生最大应力的那个PTH孔。b)焊点疲劳失效物理模型的输入参数<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>C)-d)电迁移失效和热载流子退化失效物理模型的输入参数<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(4)记录的产品实际使用环境温度应力参数如图2所示(横坐标为监测天数)(5)针对上述连续的温度记录，可划分为两个区间，分别是0-125125°C和25°C~135°C，每个应力区间内实际经历的时间如上图所示。(6)根据上述失效机理的失效物理模型，可以分别计算出每个失效机理在不同的温度应力水平下的理论寿命。:应力水平PTHHynix焊点iCreat焊点电迁移i热载流子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/天计算；按10cycles/天，高温持续时间5mins/cycles计算；'"按10cycles/天，加电持续时间10mins/cycles计算。(7)-(8)根据损伤定义，可获得不同应力水平下的寿命损伤。进一步地，可以计算得到在不同时刻，产品在不同失效机理作用下的累积损伤如图3所示(9)-(10)根据剩余寿命计算公式及失效机理竞争模型，可进一步计算得到每种失效机理下的剩余寿命和整个产品的剩余寿命。按前述公式可很容易地计算得到，此处不再赘述。权利要求1.一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于它包括如下步骤(1)对闪存类电子产品的失效模式等失效信息以及产品的结构工艺等器件信息进行分析，确定潜在的失效机理及其失效物理模型；(2)确定影响失效机理的环境应力参数一般地，根据失效机理及其失效物理模型的分析即可直接确定造成产品某种失效机理的主要环境应力，可以是绝对温度、温度循环、振动、湿度等应力参数；(3)确定失效物理模型中的涉及的相关参数，包括几何参数、材料参数和工作应力参数等；(4)对产品经历的寿命周期内的环境应力进行监测和记录一般地，需要借助各种环境应力传感器，采取人工或自动方式获得；(5)将连续的环境应力变化区间划分成合适的离散小区间，以表征产品所经历的不同环境应力水平，并统计各个小区间内的产品经历时间；(6)利用已经确定的各个失效物理模型，分别计算不同应力水平下的预计失效前时间即TTF，一般地，产品的失效物理模型即直接表示了TTF与各类参数之间的函数关系，在确定了模型中的相关参数后就可直接计算得到对应于不同应力水平的不同TTF值；(7)根据损伤定义，分别计算产品在每个应力水平下由于不同的失效机理而造成的寿命损伤；(8)根据累积损伤理论，分别计算产品经历一段时间后由于不同的失效机理而造成的累积损伤；(9)对不同失效机理下的产品剩余寿命进行预测；(10)根据失效机理竞争模型，预测整个产品的剩余寿命。2.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(l)中所述失效机理的确定直接决定产品寿命预测结果的准确程度，一般来讲需要借助工程经验、历史数据、产品信息以及各种技术手段加以确定；确定的潜在失效机理越多，越能反映产品的真实情况；所述的失效机理的失效物理模型可以通过大量公开发表的文献、报告等获得。3.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(2)中所述环境应力参数是指产品实际经历的环境条件的记录获得，反映了经历不同工作、环境条件的不同产品个体之间实际寿命的差异。4.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(3)中所述几何、材料以及工作应力等相关参数的确定可以通过产品相关的标准、技术手册、使用说明等途径获得。5.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(5)中所述环境应力区间划分的原则是保证产品在所划分的应力区间内，不同失效机理造成的寿命损伤区别不大。6.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(7)中所述的损伤定义为产品工作于一定的应力水平下会产生一定量的损伤，损伤的程度与在这样的应力水平下整个持续时间以及在这样的应力水平下正常产品发生失效所需要总时间相关；即不同应力水平下的损伤百分比可以近似由该应力水平下产品的实际工作时间同该应力水平下预计的产品失效前时间的比值来确定，可以表示为t.其中，^为对应于第；个失效机理的，在第7'个应力水平下的产品实际工作时间；"巧为根据失效物理模型预计的不同应力水平下产品的失效前时间；i^为产品在第7'个不同应力水平下工作后由于第/个失效机理造成的损伤百分比。7.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(8)中所述累积损伤的计算公式为'其中，^A为对应于第；个失效机理的，经过一段工作时间iV后造成的累积损伤；7V为到预测寿命时刻产品经历的实际工作时间。8.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(9)中所述剩余寿命的计算公式为其中，i^,为对应于第/个失效机理的剩余寿命。9.根据权利要求1所述的一种闪存类电子产品的寿命预测方法，其特征在于在步骤(10)中所述的失效机理竞争模型为ii^=min(i厶，i4,…,及丄")其中，及A为整个产品在W时刻的剩余寿命。全文摘要一种闪存类电子产品的寿命预测方法包括如下步骤(1)对产品失效模式等失效信息和产品结构、工艺等器件信息进行分析，确定潜在失效机理及其失效物理模型；(2)确定影响失效机理的环境应力；(3)确定失效物理模型中的相关参数；(4)对产品实际经历的环境应力进行监测和记录；(5)将环境应力变化区间划分成合适的小区间，并统计各个小区间内的产品经历时间；(6)利用失效物理模型分别计算不同应力水平下的预计失效前时间；(7)分别计算产品在每个应力水平下由于不同失效机理造成的寿命损伤；(8)分别计算产品由于不同失效机理造成的寿命累积损伤；(9)预测不同失效机理下的产品剩余寿命；(10)预测整个产品的剩余寿命。文档编号G11C29/00GK101266840SQ20081010431公开日2008年9月17日申请日期2008年4月17日优先权日2008年4月17日发明者羿任,强冯,博孙,曾声奎申请人:北京航空航天大学