【经验】DRAM的可靠性受什么因素影响？ATP DRAM为何具备高可靠性？

时间： 2019-12-12 来源：ATP ELECTRONICS

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在每个动态随机存取存储器（DRAM）模块上都是由众多微型集成电路（IC）组成的存储芯片，这些芯片有望在艰巨的工作和场景下长时间可靠地运行。无论是处于静止状态还是在运行中，这些模块在整个使用寿命期间都会面临危险，任何失误都可能导致系统故障，从而中断或延迟业务运营。因此，应根据高标准来制造和包装这些组件，并应以解决或最大程度降低已知风险的方式管理它。

挑战

随着IC尺寸的不断减小，它们变得更容易受到多种环境因素的损害，尤其是对于放置在高温或低温且空气中含有微粒的恶劣环境中的系统。在远程维护受限的室外偏远地区设置的系统特别容易受到攻击。

1、IC质量不均。晶圆内的IC可能不一定具有相同的质量。一个晶片中可能有强集成电路和弱集成电路。在同一DRAM模块上使用不同质量的IC时，该模块将导致系统运行不稳定。

图1 在同一DRAM模块中使用不同质量的IC会导致系统运行不稳定

2、热度。高工作温度会导致DRAM芯片快速退化，尤其是当安装在空气流通较差的系统和环境中时。

3、环境。灰尘，有害气体，腐蚀性化学物质，湿气，水和其他空气传播的粒子会渗入DRAM模块，这些颗粒会导致腐蚀和损坏。例如，当来自环境的硫进入电阻器的间隙并与用作敏感电子零件的导电材料的银接触时，银变成称为硫化物的非导电化合物。产生的腐蚀导致电阻器开路。它将不再正常运行，最终导致模块故障。

4、机电。对触点/金手指的损坏会削弱或影响信号的完整性。静电放电(ESD)使电子在表面间转移，产生静电电荷。摩擦力、接触面积和湿度可以决定静电的产生量。从卷筒上松开胶带或在地毯上行走会产生静电，这可能会损坏电子组件，因为即使是很小的参数变化也会造成不利影响，从性能下降到设备完全故障。
突然增加电源电压到达峰值也可能对IC或存储芯片有害，从而导致DRAM发生故障或缩短其使用寿命。电压波动和突然的功率损耗可能会使组件和电路退化，缩短设备寿命并导致数据丢失或损坏。

可靠性解决方案和技术

用于企业和工业市场的DRAM模块通常安装在高性能环境中，例如数据中心，在该环境中，需要大规模进行不间断的计算，任何操作中断都可能严重影响业务。在物联网系统中的使用也很普遍，这些系统可能位于难以进行常规维护的偏远地区。因此，确保可以长期依赖DRAM模块是非常重要的。

ATP的模块经过两个级别的测试，以确保最大的可靠性：

1、先进的IC级集成电路测试，具有最佳的可靠性和质量特性，适用于需要宽温度的应用。

2、增强的模块水平测试：老化测试（TDBI）和自动测试设备（ATE）确保模块达到甚至超过合格参数。

IC级测试

确定将用于ATP DRAM模块的单个组件的电气和机械特性，来确保最高的质量和可靠性，这一点极为重要。进行IC级测试以确保新芯片的可靠性，并对IC进行低温和宽温度测试，以筛选出较弱的IC。

图2 IC级测试

图3 筛选出在高低温环境下失效的弱IC

模块级测试

1、使用自动测试设备（ATE）进行功能测试
ATE检测与DIMM组件相关的组件缺陷和结构缺陷，并筛选出边缘时序和信号完整性（SI）灵敏度。 ATE为电气测试模式提供了各种参数设置，例如连续热循环下的边际电压，信号频率，时钟周期，命令时序和数据时序。而且，根据客户的要求，可以对定制的电气测试模式进行编程，并将其实施到ATE测试过程中。 ATE测试系统可以查明单个有缺陷的IC或DRAM PC板，从而为新产品开发和批量生产阶段提供更有效的故障分析方法。

2、通过TDBI进行系统级故障检测和预防
图5中的浴盆曲线说明了产品故障的三个关键时期。如下所示，高故障率发生在早期或初期，但在正常使用期内下降到恒定的故障率。随着使用寿命的耗尽，失效率会再次增加。

图4 Bathtub曲线显示了产品失效的三个阶段

批量生产阶段的老化测试(TDBI)可以检测早期故障(ELF)，并有效地筛选出可能在产品早期出现故障的弱集成电路。

ATP TDBI系统对DRAM模块进行极端的高/低温，高-低电压和模式测试。该系统包括：

1、微型热室，其仅将温度循环隔离到要测试的模块，以免对其余测试系统造成热应力。这将最小化其他测试组件(如主板)的故障。在常规的大型热室中，当整个系统处于热应力状态时，与非DRAM相关的测试组件的故障是恒定的；

2、主板上的模块提升板适配器，可轻松将模块插入生产的管中；

3、多个温度传感器，可调节温度曲线，在-40°C至95°C的宽测试温度范围内运行。

通过如TDBI之类的加速测试方法，ATP通过确保只有稳健的DRAM芯片位于模块上，从而大大降低了故障率并延长了产品使用寿命。即使在99.99％的有效设备上只有0.01％的错误也会增加模块级的故障率，并导致实际使用中的故障，TDBI会检测并筛选出高达0.01％的错误，以确保DRAM模块的可靠性。

图5 ATP TDBI系统

图6 ATP微型热室仅将温度循环隔离到被测模块，以确保母板和其余测试系统不会受到热应力

ATP DRAM的特殊性能

1、耐热性

具有工业额定温度的ATP DRAM模块可承受-40°C至85°C的极端温度，从而确保安装在电信，工业和军事/航空航天运营中的系统的长期稳定性，在这些系统中，持续可用性和稳定的性能至关重要。

2、密封涂层

保形涂层是一种在电子电路和模块上涂上一层与表面“一致”的化合物对二甲苯保护层的方法。该膜可防止灰尘，化学物质，极端温度，湿气和腐蚀。涂膜是通过化学气相沉积（CVD）工艺形成的，与浸涂和喷涂技术不同，它完全无针孔，因为该膜符合任何不规则形状，形成了类似真空的环境，可以覆盖所有部件和故障点。聚对二甲苯膜可提供特殊的防锈性能；耐溶剂，酸和碱；优良的绝缘性和介电性；以及高拉伸强度和屈服强度。

3、防腐蚀性硫
银是敏感电子零件（例如片式电阻器中的电极）使用最广泛的导电材料。在所有金属中，纯银具有最高的电导率和导热率。它也抗氧化，氧化是金属腐蚀的一种形式。

当来自环境的含硫颗粒扩散或进入电阻器中的间隙并与银接触时，随后发生的化学反应将导电的银基电极转变为称为硫化银的非导体。当银腐蚀时，它会失去导电性。然后，电阻开路，将无法正常工作，最终导致模块故障。

快速的气候变化，不断升高的全球温度以及持续的环境恶化都导致空气中污染物的不断增加。特别是在以下环境中发现高硫浓度：矿山，石化厂和污染的工业区；使用油，气润滑剂或化石燃料的地方；地热/火山场和温泉；以及废物处理场所。还有一些国家，特别是工业污染猖狂的国家，其日常大气中的硫含量很高。

ATP DRAM模块使用抗硫电阻器（基于项目），以抵制硫污染的破坏作用，从而通过防止不必要的停机时间和昂贵的组件更换，确保长时间持续可靠的性能并降低总拥有成本。

4、较厚的金手指和PCB配置
金手指是DRAM印刷电路板（PCB）组件上的镀金边缘连接器触点。之所以这样称呼它们，是因为它们又长又窄，类似于手指。它们镀金，以帮助保护PCB免受磨损。为了确保连接器和ATP DRAM模块之间的信号传输质量，ATP采用厚度为30µm的金手指镀层，而竞争对手的DRAM模块厚度通常小于10µm。此外，该板本身由6到10层印刷电路板组件（PCBA）组成，可确保更好的信号质量以及模块的耐用性，从而可长期使用。

图7 较粗的金手指和最多10层PCB组件使ATP DRAM模块可靠且耐用

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ATP DRAM模块选型表

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Operating temperature

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