前言

半導(dǎo)體產(chǎn)品老化是一個(gè)自然現(xiàn)象,，在電子應(yīng)用中,，基于環(huán)境,、自然等因素,，半導(dǎo)體在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間連續(xù)工作之后，其功能會(huì)逐漸喪失,，這被稱為功能失效,。半導(dǎo)體功能失效主要包括：腐蝕、載流子注入,、電遷移等,。其中，電遷移引發(fā)的失效機(jī)理最為突出,。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析,。

1、  背景

從20世紀(jì)初期第一個(gè)電子管誕生以來(lái),，電子產(chǎn)品與人類的聯(lián)系越來(lái)越緊密,，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),，隨著集成電路的飛速發(fā)展,，人們對(duì)電子產(chǎn)品的需求也變得愈加豐富。隨著電子產(chǎn)品的普及,，電子產(chǎn)品失效率越來(lái)越高,，質(zhì)量變差，新產(chǎn)品不耐用,。

由于產(chǎn)品失效率的提高,，許多學(xué)者參與到半導(dǎo)體失效分析的研究中。經(jīng)過(guò)大量研究分析和仿真,，學(xué)者總結(jié)出：由于電流的作用,，導(dǎo)致導(dǎo)線中的金屬原子與電子通過(guò)摩擦產(chǎn)生電遷移位移現(xiàn)象所引發(fā)的失效是電子產(chǎn)品失效模式的主要因素之一。電遷移滿足失效分布函數(shù)曲線,，產(chǎn)品失效模式與產(chǎn)品工藝,、工作溫度關(guān)系密切。

2,、  相關(guān)理論

電遷移現(xiàn)象主要發(fā)生在半導(dǎo)體在通電狀態(tài)下,，由于電場(chǎng)作用，原子在與電子流的帶動(dòng)下,，由于摩擦,，產(chǎn)生移位現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被稱為電遷移,。

圖 1. 電遷移作用力引發(fā)半導(dǎo)體失效原理

如圖所示,，在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體在導(dǎo)通過(guò)程中,，正電荷會(huì)同時(shí)受到靜電場(chǎng)力和電子高速運(yùn)動(dòng)沖擊所產(chǎn)生的風(fēng)力作用,。

由于電流密度增大,，電子產(chǎn)生的風(fēng)力會(huì)大于靜電場(chǎng)力，從而導(dǎo)致正電荷——也就是金屬原子,，產(chǎn)生移位,，這一現(xiàn)象稱為電遷移效應(yīng)或電遷移現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累,，半導(dǎo)體的部分連接就會(huì)形成不連貫的晶須（Hillock）或空洞（Void）,，最終導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件失效。

圖 2.電遷移作用失效示意圖

James R.Black最早在1967年提出基于電遷移引起平均失效時(shí)間（MTTF）的數(shù)據(jù)擬合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為失效分析具有里程碑的意義,。

按照Black模型公式：

半導(dǎo)體元器件的失效機(jī)理與材料、電子碰撞間隔平均自由時(shí)間,、有效散射橫截面積的因素常量A,，電流密度j，絕對(duì)溫度T等因素相關(guān),。Blench和Korhonen等人進(jìn)一步對(duì)電遷移物理模型進(jìn)行完善,。半導(dǎo)體元器件的失效機(jī)理單元模型壽命可靠度函數(shù)符合歐拉公式。

根據(jù)以上公式,，電流密度越大,，半導(dǎo)體元器件的響應(yīng)速度就快，元件壽命就會(huì)越短,，反之,，元件的壽命就會(huì)增長(zhǎng)。要滿足半導(dǎo)體元器件的響應(yīng)速度,，則半導(dǎo)體就需要較高的參雜度,，另一方面，通過(guò)摻雜不同的材料,、調(diào)整有效散射橫截面積等因素也會(huì)對(duì)芯片的壽命產(chǎn)生影響,。

3、  常規(guī)解決方案

（1） 報(bào)廢機(jī)制

企業(yè)通常利用產(chǎn)品生命周期管理方式,，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品生命周期進(jìn)行分析,，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)廢界定時(shí)間。在汽車,、水電氣表等行業(yè)采用這種方式比較常見,。

（2） 系統(tǒng)冗余

在保障性系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，企業(yè)一般在報(bào)廢機(jī)制的基礎(chǔ)之上,，還會(huì)通過(guò)采用雙備份冗余設(shè)計(jì),、或者K/N表決冗余，并加上系統(tǒng)修復(fù)的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),。

4,、  技術(shù)源頭控制

（1） 工藝控制理論

根據(jù)Black模型理論,，當(dāng)半導(dǎo)體采用寬線徑工藝，橫截面積較大時(shí),，其芯片壽命會(huì)變長(zhǎng),，產(chǎn)品平均失效時(shí)間MTTF會(huì)相對(duì)拉得更長(zhǎng)。這也從側(cè)面解釋了為什么傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品可靠性更高,。

（2） 差異化技術(shù)控制方法

在芯片原理設(shè)計(jì)中,，采用不同的拓?fù)浼軜?gòu)模型，通過(guò)差異化技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的控制方法也很常見,，比如采用CMOS基本單元替代TTL基本單元,、采用恒流源替代恒壓源來(lái)完成不同的產(chǎn)品拓?fù)淠Ｐ汀Ｔ贏DC,、DAC,、運(yùn)算放大器、比較器等模型設(shè)計(jì)中十分常見,。

在一些設(shè)計(jì)場(chǎng)合,，通過(guò)調(diào)整芯片輸入閾值，降低芯片靈敏度,，或通過(guò)控制芯片切換頻率,，降低電流密度,，達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的,。

在核心處理芯片模型設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,，為了追求產(chǎn)品處理速度和可靠性,，通常會(huì)采用不同的工藝模型進(jìn)行芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)，比如從CMOS衍生出來(lái)的SRAM,、DRAM,、ROM、EEPROM,、Flash等工藝用于不同的處理器產(chǎn)品架構(gòu)中,，會(huì)達(dá)到出不同的可靠性效果。

圖 3.不同工藝模型芯片單元架構(gòu)

ROM工藝的處理器是一種非常古老的工藝產(chǎn)品,，只能燒錄一次,，雖然在某些應(yīng)用場(chǎng)景還依然被大量使用。但在目前主流的產(chǎn)品方案應(yīng)用中,，基于SRAM和Flash工藝的MCU,、MPU或FPGA處理器占據(jù)了絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。

5,、  Microchip高可靠性Flash FPGA介紹

SRAM工藝的處理器是通過(guò)CMOS內(nèi)部管道切換的方式工作,，其產(chǎn)品處理速度較高,，被眾多用戶接受。但是,，CMOS工藝有一個(gè)致命缺陷,，由于工藝原因，伴隨CMOS工藝制成芯片產(chǎn)生米勒效應(yīng)極其容易受到外界干擾,，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn),。另外，CMOS在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,，內(nèi)阻變小,，電流密度過(guò)大，芯片長(zhǎng)期在高電流密度下工作,，會(huì)加速產(chǎn)品老化時(shí)間,。

除了基于傳統(tǒng)CMOS的SRAM處理器之外，Microchip推出了一種基于疊柵MOS工藝的Flash架構(gòu)FPGA處理器,。

圖4.Flash架構(gòu)FPGA與SRAM架構(gòu)FPGA的差別

Microchip的FPGA 產(chǎn)品范圍覆蓋從低端到中端應(yīng)用,，其產(chǎn)品特點(diǎn)以抗單粒子翻轉(zhuǎn)、安全,、低功耗和上電即工作著稱,，廣泛應(yīng)用于通信、國(guó)防和航空,、工業(yè)嵌入式產(chǎn)品,。Microchip 目前主推三大系列 FPGA：

·支持5K-150K LE（Logic Elements）具有大量資源的低密度器件的IGLOO?2 系列；

·支持5K-150K LE具有大量資源和 32 位硬核處理器內(nèi)核（ARM Cortex-M3）的SmartFusion?2 SoC系列,；

·以及采用 28 納米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn), 支持25K - 480K LE的高性能PolarFire? FPGA 和 PolarFire? SoC系列（Hard 5-Core RISC-V 600MHZ CPU）,。

這三大系列FPGA除了具有抗干擾、低功耗,、上電啟動(dòng)的特征外,，還具有強(qiáng)大的DSP/數(shù)學(xué)模塊（18x18乘法器），可用于當(dāng)前熱門的AI市場(chǎng),。

Microchip的這款Flash架構(gòu)的FPGA最大的一個(gè)特點(diǎn)是電流密度小,、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)切換不會(huì)出現(xiàn)電流波動(dòng),，基于其低功耗的特點(diǎn),，可大大延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。非常適合應(yīng)用在高可靠性,、低失效率應(yīng)用場(chǎng)合,，能高效改善因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效問(wèn)題。其授權(quán)代理商Excelpoint世健可提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商

世健是完整解決方案的供應(yīng)商,，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商（OEM）,、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商（ODM）和電子制造服務(wù)提供商（EMS）提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù),。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機(jī)構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單,。

世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢(shì)作出定位,，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。世健分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè),、無(wú)線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。

世健擁有超過(guò)35年歷史、逾700名員工,，業(yè)務(wù)擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個(gè)城市和地區(qū),，遍及新加坡、馬來(lái)西亞,、泰國(guó),、越南、中國(guó),、印度,、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家,。1993年,，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司,，正式開始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù),。目前，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處,，遍及中國(guó)主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位,。