半導(dǎo)體元器件失效是什么原因引起的?務(wù)必考慮這5點(diǎn)!

日期:2022-06-09 17:40:35 瀏覽量:1339 標(biāo)簽: 元器件失效 半導(dǎo)體失效分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是電子技術(shù)的更新?lián)Q代,對(duì)電子設(shè)備所用的元器件的質(zhì)量要求越來(lái)越高,半導(dǎo)體器件的廣泛使用,其壽命經(jīng)過(guò)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)體元器件失效原因不可勝數(shù),主要存在于幾個(gè)方面:

半導(dǎo)體元器件失效是什么原因引起的?務(wù)必考慮這5點(diǎn)!

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(wèn)題,但到目前為止,大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都沒(méi)有必要處理它。隨著新的可靠性要求在汽車(chē)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(lèi)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(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)電壓中留有一些余量。然后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(guò)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(méi)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(lèi)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。

即使裸片沒(méi)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。

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(kāi)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)。

如果試圖最小化ESD,甚至在這些Wide I/O接口或任何類(lèi)型的多芯片接口通道上消除它,這意味著無(wú)法按照針對(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(guò)更專(zhuān)業(yè)的測(cè)試,因?yàn)樗鼈兊腅SD保護(hù)很小,或者可能沒(méi)有ESD保護(hù)。

即使在運(yùn)行期間,ESD事件也可能導(dǎo)致問(wèn)題。在便攜式電子產(chǎn)品中,ESD可以導(dǎo)致許多類(lèi)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。

因此,EMS是人們不得不擔(dān)心的新問(wèn)題。能量注入測(cè)試是從150kHz開(kāi)始注入1W能量,一直到1GHz。在每個(gè)頻率,會(huì)向系統(tǒng)注入1W的能量。如果沒(méi)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(guò)高,如果電壓太高,就會(huì)產(chǎn)生過(guò)電應(yīng)變。

5.開(kāi)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(kāi)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(guò)去十多年,中國(guó)開(kāi)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(wèn)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。

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。

以上是創(chuàng)芯檢測(cè)小編整理的半導(dǎo)體元器件失效相關(guān)內(nèi)容,希望對(duì)您有所幫助。深圳創(chuàng)芯在線檢測(cè)技術(shù)有限公司是國(guó)內(nèi)知名的電子元器件專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu),建有標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室3個(gè),實(shí)驗(yàn)室面積1000平米以上。檢測(cè)服務(wù)范圍涵蓋:電子元器件測(cè)試驗(yàn)證、IC真假鑒別,產(chǎn)品設(shè)計(jì)選料、失效分析,功能檢測(cè)、工廠來(lái)料檢驗(yàn)、元器件X-Ray檢測(cè)以及編帶等多種測(cè)試項(xiàng)目。

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