導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件失效的主要原因分析

在消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)λ玫脑骷馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)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(shí)候就止步于實(shí)驗(yàn)室和晶圓廠里。除去人為使用不當(dāng)、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(yùn)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(gè)方面：

1.元器件的設(shè)計(jì)

先進(jìn)特征尺寸節(jié)點(diǎn)上，芯片老化是個(gè)日益嚴(yán)重的問題，但到目前為止，大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都沒有必要處理它。隨著新的可靠性要求在汽車等市場(chǎng)的提出，這些需要對(duì)影響老化的因素進(jìn)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(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸老化，但對(duì)于老化機(jī)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(duì)器件的最短壽命有確定的要求。

對(duì)于消費(fèi)類設(shè)備可能是2或3年，對(duì)于電信設(shè)備可能長(zhǎng)達(dá)10年。鑒于老化過程復(fù)雜且通常難以完全預(yù)測(cè)，如今許多芯片設(shè)計(jì)經(jīng)常采取冗余設(shè)計(jì)的方法，以確保足夠的余量來(lái)滿足可靠壽命工作的要求。　

“ 以運(yùn)算放大器為例，它是很多東西的基礎(chǔ)。運(yùn)算放大器必須正確偏置，并且必須在過驅(qū)動(dòng)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(shí)間的推移，運(yùn)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(dòng)余量正在縮小，因?yàn)?nm的電源電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒有任何空間來(lái)保留較大余量。隨著老化，閾值電壓可以偏移多達(dá)50mV。如果運(yùn)算放大器偏置電路偏移50mV，它可能會(huì)從飽和區(qū)域變?yōu)榫€性區(qū)域或三極管區(qū)，晶體管會(huì)變?yōu)殡娮杵鞫辉倬哂性鲆?。運(yùn)算放大器的功能是提供增益，那時(shí)電路變得毫無(wú)用處。”　

老化和可靠性是模擬設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)。今天的設(shè)計(jì)可能不會(huì)在明天運(yùn)行，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)可能會(huì)發(fā)生降級(jí)，目前最重要的是必須確保滿足市場(chǎng)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(cè)量?jī)H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。一粒塵埃可以摧毀晶圓片上的幾個(gè)裸片。

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

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

隨著設(shè)計(jì)逐漸演變成采用先進(jìn)封裝的深亞微米技術(shù)，現(xiàn)有的仿真工具和設(shè)計(jì)方法無(wú)法很好地反映變化及其對(duì)可靠性的影響。這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)流程出現(xiàn)漏洞，從而導(dǎo)致一些失敗。設(shè)計(jì)流程越來(lái)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(jì)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(hù)

通常，芯片會(huì)包含ESD保護(hù)，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(chǎng)。這足以導(dǎo)致高壓電弧。對(duì)于封裝內(nèi)的單個(gè)裸片，他們的目標(biāo)是2kJ這樣的標(biāo)準(zhǔn)。

“ 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(wú)法按照你針對(duì)單芯片的相同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)芯片進(jìn)行真正的測(cè)試。它們必須經(jīng)過更專業(yè)的測(cè)試，因?yàn)樗鼈兊腅SD保護(hù)很小，或者可能沒有ESD保護(hù)?！?/p>

即使在運(yùn)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(cuò)誤。在ESD事件期間，電源供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)上可能會(huì)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(chǎng)耦合。

4.磁場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體影響

隨著智能手機(jī)、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(shì)。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(jī)等一些使用電池的設(shè)備中要求損耗低。

“ 電感在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量來(lái)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(wú)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(shí)，將可能無(wú)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(cè)試是從150kHz開始注入1W能量，一直到1GHz。在每個(gè)頻率，你會(huì)向系統(tǒng)注入1W的能量。如果你沒有足夠的保護(hù)，就會(huì)沿著路徑進(jìn)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(huì)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(chǎng)低迷中走了出來(lái)，但開關(guān)電源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，我國(guó)電源企業(yè)僅僅依靠低成本制造在世界市場(chǎng)上已無(wú)優(yōu)勢(shì)可言，與此同時(shí)，國(guó)外功率半導(dǎo)體供應(yīng)商在電源行業(yè)的地位進(jìn)一步加強(qiáng)。

雖然市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)被看好，但是在過去十多年，中國(guó)開關(guān)電源企業(yè)依靠低成本優(yōu)勢(shì)，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(guó)電源企業(yè)在眾多環(huán)節(jié)上做投資，越來(lái)越多的半導(dǎo)體生產(chǎn)商都采用嵌入式電源來(lái)降低產(chǎn)品成本，也使得功率越來(lái)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(lái)的問題不僅僅是手機(jī)在口袋里變熱。它會(huì)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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