導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件失效的主要原因分析

在消費電子領(lǐng)域?qū)λ玫脑骷馁|(zhì)量標準愈發(fā)嚴格，半導(dǎo)體器件的廣泛使用，其壽命經(jīng)過性能退化，最終導(dǎo)致失效。有很大一部分的電子元器件在極端溫度和惡劣環(huán)境下工作，造成不能正常工作，也有很大一部分元器件在研發(fā)的時候就止步于實驗室和晶圓廠里。除去人為使用不當、浪涌和靜電擊穿等等都是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的壽命縮短的原因，除此之外，有些運行正常的器件也受到損害，出現(xiàn)元器件退化。

半導(dǎo)體元器件失效原因有很多種，主要存在于幾個方面：

1.元器件的設(shè)計

先進特征尺寸節(jié)點上，芯片老化是個日益嚴重的問題，但到目前為止，大多數(shù)設(shè)計團隊都沒有必要處理它。隨著新的可靠性要求在汽車等市場的提出，這些需要對影響老化的因素進行全面分析，這將發(fā)生重大變化。

人們通常都知道半導(dǎo)體器件會隨著時間的推移逐漸老化，但對于老化機制或?qū)е滦酒У闹萍s因素卻毫不知情。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，對器件的最短壽命有確定的要求。

對于消費類設(shè)備可能是2或3年，對于電信設(shè)備可能長達10年。鑒于老化過程復(fù)雜且通常難以完全預(yù)測，如今許多芯片設(shè)計經(jīng)常采取冗余設(shè)計的方法，以確保足夠的余量來滿足可靠壽命工作的要求?！?/p>

“ 以運算放大器為例，它是很多東西的基礎(chǔ)。運算放大器必須正確偏置，并且必須在過驅(qū)動電壓中留有一些余量。然后你必須確保留下足夠的余量，這樣隨著時間的推移，運算放大器的老化將保持在晶體管的飽和區(qū)域內(nèi)。晶體管的過驅(qū)動余量正在縮小，因為7nm的電源電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒有任何空間來保留較大余量。隨著老化，閾值電壓可以偏移多達50mV。如果運算放大器偏置電路偏移50mV，它可能會從飽和區(qū)域變?yōu)榫€性區(qū)域或三極管區(qū)，晶體管會變?yōu)殡娮杵鞫辉倬哂性鲆?。運算放大器的功能是提供增益，那時電路變得毫無用處?！薄?/p>

老化和可靠性是模擬設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)。今天的設(shè)計可能不會在明天運行，因為這些設(shè)計可能會發(fā)生降級，目前最重要的是必須確保滿足市場所有老化和可靠性的要求。

2.元器件的制造

半導(dǎo)體器件的制造涉及到測量僅幾納米的結(jié)構(gòu)。作為參照，人類DNA鏈直徑為2.5nm，而人頭發(fā)直徑則為80，000至100，000nm。一粒塵?？梢源輾ЬA片上的幾個裸片。

如果裸片的尺寸變大，隨機失效的可能性就會增加。對于成熟的工藝節(jié)點，產(chǎn)率可能在80%到90%之間。然而，對于較新的節(jié)點，產(chǎn)率可能大大低于50%，盡管實際數(shù)字是嚴格保密的。

“ 即使裸片沒有受到災(zāi)難性的影響，也不能被認為是可操作的。制造步驟不完善，哪怕一個原子的工藝變化也會產(chǎn)生顯著的差異。雖然這可能不會對設(shè)計的某些部分產(chǎn)生影響，但如果工藝變化恰好與關(guān)鍵時序路徑吻合，則可能會使器件不符合規(guī)格?！?/p>

隨著設(shè)計逐漸演變成采用先進封裝的深亞微米技術(shù)，現(xiàn)有的仿真工具和設(shè)計方法無法很好地反映變化及其對可靠性的影響。這會導(dǎo)致設(shè)計流程出現(xiàn)漏洞，從而導(dǎo)致一些失敗。設(shè)計流程越來越多地允許在開發(fā)早期就考慮到變化，以最大限度地減少其影響，而冗余等設(shè)計技術(shù)可以減少需要丟棄的“幾乎可以工作”的芯片的數(shù)量。

3.ESD保護

通常，芯片會包含ESD保護，如果給芯片外部施加0.5V電壓，那么在1nm的介質(zhì)上產(chǎn)生0.5mV/m的電場。這足以導(dǎo)致高壓電弧。對于封裝內(nèi)的單個裸片，他們的目標是2kJ這樣的標準。

“ 如果你試圖最小化ESD，甚至在這些Wide I/O接口或任何類型的多芯片接口通道上消除它，這意味著你無法按照你針對單芯片的相同標準對每個芯片進行真正的測試。它們必須經(jīng)過更專業(yè)的測試，因為它們的ESD保護很小，或者可能沒有ESD保護?！?/p>

即使在運行期間，ESD事件也可能導(dǎo)致問題。在便攜式電子產(chǎn)品中，ESD可以導(dǎo)致許多類型的軟錯誤。在ESD事件期間，電源供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)上可能會引起噪聲，原因在于某些IC(振蕩器IC、CPU和其他IC)的靈敏度，或是PDN的場耦合。

4.磁場對半導(dǎo)體影響

隨著智能手機、平板電腦終端的多功能化，其所需要的電源電壓也涉及多種規(guī)格，因此電源電路用電感器的使用數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢。電源電路用一體成型電感的要求小尺寸且支持大電流，并且在智能手機等一些使用電池的設(shè)備中要求損耗低。

“ 電感在磁場中儲存能量來發(fā)揮其功能。但是，電感除受自身產(chǎn)生的電磁能量影響外，也受外部磁通量影響。保證元器件的電感值指的是無外部磁通量狀態(tài)下的值。因此，在存在外部磁通量的情況下封裝電感時，將可能無法發(fā)揮其應(yīng)有的功效?！?/p>

因此，EMS是人們不得不擔(dān)心的新問題。能量注入測試是從150kHz開始注入1W能量，一直到1GHz。在每個頻率，你會向系統(tǒng)注入1W的能量。如果你沒有足夠的保護，就會沿著路徑進入芯片內(nèi)部電路造成破壞，或者引腳上的電壓可能過高，如果電壓太高，就會產(chǎn)生過電應(yīng)變。

5.開關(guān)電源

現(xiàn)在電源行業(yè)已從前三四年的市場低迷中走了出來，但開關(guān)電源市場競爭日趨激烈，我國電源企業(yè)僅僅依靠低成本制造在世界市場上已無優(yōu)勢可言，與此同時，國外功率半導(dǎo)體供應(yīng)商在電源行業(yè)的地位進一步加強。

雖然市場發(fā)展形勢被看好，但是在過去十多年，中國開關(guān)電源企業(yè)依靠低成本優(yōu)勢，生產(chǎn)那些符合全球知名OEM企業(yè)質(zhì)量和性能參數(shù)要求的產(chǎn)品，為取得成功，中國電源企業(yè)在眾多環(huán)節(jié)上做投資，越來越多的半導(dǎo)體生產(chǎn)商都采用嵌入式電源來降低產(chǎn)品成本，也使得功率越來越高。

“ 功率越高也隨之造成了電子元器件的發(fā)熱，而發(fā)熱帶來的問題不僅僅是手機在口袋里變熱。它會導(dǎo)致晶體管和它們之間的連接退化，這也直接影響半導(dǎo)體元器件的性能和可靠性?！?/p>

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