分析 | 半导体元器件失效的五大原因详解

来源：电子产品世界

随着科学技术的发展，尤其是电子技术的更新换代，对电子设备所用的元器件的质量要求越来越高，半导体器件的广泛使用，其寿命经过性能退化，最终导致失效。

有很大一部分的电子元器件在极端温度和恶劣环境下工作，造成不能正常工作，也有很大一部分元器件在研发的时候就止步于实验室和晶圆厂里。除去人为使用不当、浪涌和静电击穿等等都是导致半导体器件的寿命缩短的原因，除此之外，有些运行正常的器件也受到损害，出现元器件退化。

半导体元器件失效原因不可胜数，主要存在于几个方面：

1.元器件的设计

先进特征尺寸节点上，芯片老化是个日益严重的问题，但到目前为止，大多数设计团队都没有必要处理它。随着新的可靠性要求在汽车等市场的提出，这些需要对影响老化的因素进行全面分析，这将发生重大变化。

人们通常都知道半导体器件会随着时间的推移逐渐老化，但对于老化机制或导致芯片失效的制约因素却毫不知情。此外，根据应用的不同，对器件的最短寿命有确定的要求。

对于消费类设备可能是2或3年，对于电信设备可能长达10年。鉴于老化过程复杂且通常难以完全预测，如今许多芯片设计经常采取冗余设计的方法，以确保足够的余量来满足可靠寿命工作的要求。　

“ 以运算放大器为例，它是很多东西的基础。运算放大器必须正确偏置，并且必须在过驱动电压中留有一些余量。然后你必须确保留下足够的余量，这样随着时间的推移，运算放大器的老化将保持在晶体管的饱和区域内。晶体管的过驱动余量正在缩小，因为7nm的电源电压为750mV，阈值约为350mV，因此几乎没有任何空间来保留较大余量。随着老化，阈值电压可以偏移多达50mV。如果运算放大器偏置电路偏移50mV，它可能会从饱和区域变为线性区域或三极管区，晶体管会变为电阻器而不再具有增益。运算放大器的功能是提供增益，那时电路变得毫无用处。”

老化和可靠性是模拟设计师面临的挑战。今天的设计可能不会在明天运行，因为这些设计可能会发生降级，目前最重要的是必须确保满足市场所有老化和可靠性的要求。

2.元器件的制造

半导体器件的制造涉及到测量仅几纳米的结构。作为参照，人类DNA链直径为2.5nm，而人头发直径则为80，000至100，000nm。一粒尘埃可以摧毁晶圆片上的几个裸片。

如果裸片的尺寸变大，随机失效的可能性就会增加。对于成熟的工艺节点，产率可能在80%到90%之间。然而，对于较新的节点，产率可能大大低于50%，尽管实际数字是严格保密的。

“ 即使裸片没有受到灾难性的影响，也不能被认为是可操作的。制造步骤不完善，哪怕一个原子的工艺变化也会产生显着的差异。虽然这可能不会对设计的某些部分产生影响，但如果工艺变化恰好与关键时序路径吻合，则可能会使器件不符合规格。”

随着设计逐渐演变成采用先进封装的深亚微米技术，现有的仿真工具和设计方法无法很好地反映变化及其对可靠性的影响。这会导致设计流程出现漏洞，从而导致一些失败。设计流程越来越多地允许在开发早期就考虑到变化，以最大限度地减少其影响，而冗余等设计技术可以减少需要丢弃的“几乎可以工作”的芯片的数量。

3.ESD保护

通常，芯片会包含ESD保护，如果给芯片外部施加0.5V电压，那么在1nm的介质上产生0.5mV/m的电场。这足以导致高压电弧。对于封装内的单个裸片，他们的目标是2kJ这样的标准。

“ 如果你试图最小化ESD，甚至在这些Wide I/O接口或任何类型的多芯片接口通道上消除它，这意味着你无法按照你针对单芯片的相同标准对每个芯片进行真正的测试。它们必须经过更专业的测试，因为它们的ESD保护很小，或者可能没有ESD保护。”

即使在运行期间，ESD事件也可能导致问题。在便携式电子产品中，ESD可以导致许多类型的软错误。在ESD事件期间，电源供电网络(PDN)上可能会引起噪声，原因在于某些IC(振荡器IC、CPU和其他IC)的灵敏度，或是PDN的场耦合。

4.磁场对半导体影响

随着智能手机、平板电脑终端的多功能化，其所需要的电源电压也涉及多种规格，因此电源电路用电感器的使用数量呈现增加趋势。电源电路用一体成型电感的要求小尺寸且支持大电流，并且在智能手机等一些使用电池的设备中要求损耗低。

“ 电感在磁场中储存能量来发挥其功能。但是，电感除受自身产生的电磁能量影响外，也受外部磁通量影响。保证元器件的电感值指的是无外部磁通量状态下的值。因此，在存在外部磁通量的情况下封装电感时，将可能无法发挥其应有的功效。”

因此，EMS是人们不得不担心的新问题。能量注入测试是从150kHz开始注入1W能量，一直到1GHz。在每个频率，你会向系统注入1W的能量。如果你没有足够的保护，就会沿着路径进入芯片内部电路造成破坏，或者引脚上的电压可能过高，如果电压太高，就会产生过电应变。

5.开关电源

现在电源行业已从前三四年的市场低迷中走了出来，但开关电源市场竞争日趋激烈，我国电源企业仅仅依靠低成本制造在世界市场上已无优势可言，与此同时，国外功率半导体供应商在电源行业的地位进一步加强。

虽然市场发展形势被看好，但是在过去十多年，中国开关电源企业依靠低成本优势，生产那些符合全球知名OEM企业质量和性能参数要求的产品，为取得成功，中国电源企业在众多环节上做投资，越来越多的半导体生产商都采用嵌入式电源来降低产品成本，也使得功率越来越高。

“ 功率越高也随之造成了电子元器件的发热，而发热带来的问题不仅仅是手机在口袋里变热。它会导致晶体管和它们之间的连接退化，这也直接影响半导体元器件的性能和可靠性。”

总结

芯片在恶劣环境中运行，在产品的生命周期中还面临很大的挑战，但是随着制造尺寸变小以及采用新的封装技术时，又会有新的影响产生，也就直接导致了器件性能研发的失败。

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