半導(dǎo)體元器件失效的主要五個(gè)原因匯總解析

半導(dǎo)體器件的失效通常是因?yàn)楫a(chǎn)生的應(yīng)力超過了它們的最大額定值。 電氣應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力、輻射應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力及其他因素都會(huì)造 成器件失效。器件失效會(huì)存在于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，如果缺乏對(duì)各個(gè)階段失效信息及失效器件的收集，失效分析工作將失去必要的“物質(zhì)”基礎(chǔ)。因此，開展失效分析，必須首先在開發(fā)、生產(chǎn)、工程等階段建立失效信息和失效器件的收集制度。下面帶來半導(dǎo)體元器件失效主要五個(gè)原因匯總解析！

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滿足可靠壽命工作的要求。

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?？梢源輾ЬA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。

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)。

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。

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，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。

芯片在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，在產(chǎn)品的生命周期中還面臨很大的挑戰(zhàn)，但是隨著制造尺寸變小以及采用新的封裝技術(shù)時(shí)，又會(huì)有新的影響產(chǎn)生，也就直接導(dǎo)致了器件性能研發(fā)的失敗。