前言

半導體產(chǎn)品老化是一個自然現(xiàn)象，在電子應用中，基于環(huán)境、自然等因素，半導體在經(jīng)過一段時間連續(xù)工作之后，其功能會逐漸喪失，這被稱為功能失效。半導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)的失效機理最為突出。技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對這一現(xiàn)象進行了分析。

1、  背景

從20世紀初期第一個電子管誕生以來，電子產(chǎn)品與人類的聯(lián)系越來越緊密，特別是進入21世紀以來，隨著集成電路的飛速發(fā)展，人們對電子產(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，許多學者參與到半導體失效分析的研究中。經(jīng)過大量研究分析和仿真，學者總結出：由于電流的作用，導致導線中的金屬原子與電子通過摩擦產(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、工作溫度關系密切。

2、  相關理論

電遷移現(xiàn)象主要發(fā)生在半導體在通電狀態(tài)下，由于電場作用，原子在與電子流的帶動下，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)半導體失效原理

如圖所示，在電場作用下，半導體在導通過程中，正電荷會同時受到靜電場力和電子高速運動沖擊所產(chǎn)生的風力作用。

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

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間（MTTF）的數(shù)據(jù)擬合經(jīng)驗模型，為失效分析具有里程碑的意義。

按照Black模型公式：

半導體元器件的失效機理與材料、電子碰撞間隔平均自由時間、有效散射橫截面積的因素常量A，電流密度j，絕對溫度T等因素相關。Blench和Korhonen等人進一步對電遷移物理模型進行完善。半導體元器件的失效機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，半導體元器件的響應速度就快，元件壽命就會越短，反之，元件的壽命就會增長。要滿足半導體元器件的響應速度，則半導體就需要較高的參雜度，另一方面，通過摻雜不同的材料、調(diào)整有效散射橫截面積等因素也會對芯片的壽命產(chǎn)生影響。

3、  常規(guī)解決方案

（1） 報廢機制

企業(yè)通常利用產(chǎn)品生命周期管理方式，通過對產(chǎn)品生命周期進行分析，為產(chǎn)品設計一個報廢界定時間。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)設計中，企業(yè)一般在報廢機制的基礎之上，還會通過采用雙備份冗余設計、或者K/N表決冗余，并加上系統(tǒng)修復的方式進行系統(tǒng)設計。

4、  技術源頭控制

（1） 工藝控制理論

根據(jù)Black模型理論，當半導體采用寬線徑工藝，橫截面積較大時，其芯片壽命會變長，產(chǎn)品平均失效時間MTTF會相對拉得更長。這也從側面解釋了為什么傳統(tǒng)工藝設計出來的產(chǎn)品可靠性更高。

（2） 差異化技術控制方法

在芯片原理設計中，采用不同的拓撲架構模型，通過差異化技術實現(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完成不同的產(chǎn)品拓撲模型。在ADC、DAC、運算放大器、比較器等模型設計中十分常見。

在一些設計場合，通過調(diào)整芯片輸入閾值，降低芯片靈敏度，或通過控制芯片切換頻率，降低電流密度，達到提高產(chǎn)品可靠性的目的。

在核心處理芯片模型設計中，根據(jù)不同的應用場景，為了追求產(chǎn)品處理速度和可靠性，通常會采用不同的工藝模型進行芯片架構設計，比如從CMOS衍生出來的SRAM、DRAM、ROM、EEPROM、Flash等工藝用于不同的處理器產(chǎn)品架構中，會達到出不同的可靠性效果。

圖 3.不同工藝模型芯片單元架構

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，雖然在某些應用場景還依然被大量使用。但在目前主流的產(chǎn)品方案應用中，基于SRAM和Flash工藝的MCU、MPU或FPGA處理器占據(jù)了絕大多數(shù)應用場景。

5、  Microchip高可靠性Flash FPGA介紹

SRAM工藝的處理器是通過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)生米勒效應極其容易受到外界干擾，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。另外，CMOS在翻轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)阻變小，電流密度過大，芯片長期在高電流密度下工作，會加速產(chǎn)品老化時間。

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FPGA處理器。

圖4.Flash架構FPGA與SRAM架構FPGA的差別

Microchip的FPGA 產(chǎn)品范圍覆蓋從低端到中端應用，其產(chǎn)品特點以抗單粒子翻轉(zhuǎn)、安全、低功耗和上電即工作著稱，廣泛應用于通信、國防和航空、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 納米工藝技術實現(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、上電啟動的特征外，還具有強大的DSP/數(shù)學模塊（18x18乘法器），可用于當前熱門的AI市場。

Microchip的這款Flash架構的FPGA最大的一個特點是電流密度小、抗干擾能力強、動態(tài)切換不會出現(xiàn)電流波動，基于其低功耗的特點，可大大延長產(chǎn)品使用壽命。非常適合應用在高可靠性、低失效率應用場合，能高效改善因電遷移引發(fā)的半導體失效問題。其授權代理商Excelpoint世健可提供技術支持和指導。

關于世健——亞太區(qū)領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產(chǎn)商（OEM）、原設計生產(chǎn)商（ODM）和電子制造服務提供商（EMS）提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。多次被權威雜志和行業(yè)機構列入全球領先分銷商榜單。

世健與供應商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當中。世健分別在新加坡、中國及越南設有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設計可應用于工業(yè)、無線通信及消費電子等領域。

世健擁有超過35年歷史、逾700名員工，業(yè)務擴展至亞太區(qū)的49個城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。1993年，世健在香港設立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領先地位。