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剖析芯片的五種“死亡方式”

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文章出處:驪微電子責任編輯:電源管理芯片人氣:-發表時間:2020-01-02 13:30
  芯片雖然個頭很小,但是其內部結構非常復雜,核心的微型單元就包含成千上萬個在極端溫度和惡劣環境下工作的晶體管,隨著電子技術的更新換代,半導體的廣泛使用,使其對電子元器件的要求也越來越高,一部分元器件在研發的時候就扼殺了在實驗室,也有一部分死在了晶圓工廠,在使用過程中元器件也可能會因為使用不當、浪涌和靜電擊穿等原因而縮短壽命,芯片的死亡方式是多樣化的,通常有以下幾種,下面跟隨驪微電子小編一起來看看:
  
  死于芯片的設計  
  芯片的設計制造要經過一個非常復雜的過程,可大體分為三個階段:前端設計(邏輯代碼設計)、后端設計(布線過程)、投片生產(制芯、測試與封裝),一顆高性能芯片在區區數百平方毫米的硅片上蝕刻數十億晶體管,晶體管間的間隔只有幾十納米,需要經過幾百道不同工藝加工,一些芯片的失敗,很大部分原因是因為他們的設計過程更加特殊,舊方法不再適用于新的先進技術。半導體芯片器件會隨著時間的推移逐漸老化從而導致芯片失效,根據芯片的的不同應用,器件的使用壽命也是有區別的,現如今許多芯片設計經常采取冗余設計的方法,以確保足夠的余量來滿足可靠壽命工作的要求。
  
  死于芯片的制造  
  近年來,隨著技術的不斷進步,芯片工藝水平也得到逐步提高,較小的工藝制程能夠在同樣大小的硅片上容納更多數量的芯片,可以增加芯片的運算效率;也使得芯片功耗更小。但是,半導體器件的制造涉及到測量僅幾納米的結構,芯片尺寸的縮小也有其物理限制,摩爾定律正在逐漸失效,一粒塵埃可以摧毀晶圓片上的幾個裸片,如果裸片的尺寸變大,隨機失效的可能性就會增加,對于成熟的工藝節點,產率可能在80%到90%之間。然而,對于較新的節點,產率可能大大低于50%,必須采用更高精度的機器進行芯片的掩膜蝕刻,這樣就會帶來制造成本高、良品率下降等問題。
  
  死于芯片ESD保護  
  通常,殺死芯片有多種方法,芯片會包含ESD保護,如果給芯片外部施加0.5V電壓,那么在1nm的介質上產生0.5mV/m的電場,這足以導致高壓電弧。對于封裝內的單個裸片,他們的目標是2kJ這樣的標準。如果你試圖最小化ESD,甚至在這些Wide I/O接口或任何類型的多芯片接口通道上消除它,這意味著你無法按照你針對單芯片的相同標準對每個芯片進行真正的測試。它們必須經過更專業的測試,因為它們的ESD保護很小,或者可能沒有ESD保護,即使在運行期間,ESD事件也可能導致問題。在便攜式電子產品中,ESD可以導致許多類型的軟錯誤。在ESD事件期間,電源供電網絡(PDN)上可能會引起噪聲,原因在于某些IC(振蕩器IC、CPU和其他IC)的靈敏度,或是PDN的場耦合。  
  
  死于磁場對半導體影響  
  隨著智能手機、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格,因此電源電路用電感器的使用數量呈現增加趨勢,電磁敏感性(EMS)是人們不得不擔心的問題,電磁干擾(EMI)是芯片向環境發出的噪聲,噪聲源來自有源電路,它會在電源/地線和信號線上產生電流,電源線/地線將通過封裝到PCB,如果它看到封裝或PCB上有天線結構,就會引起空氣輻射,然后通過天線結構輻射到環境中產生干擾,能量注入測試是從150kHz開始注入1W能量,一直到1GHz。在每個頻率,你會向系統注入1W的能量。如果你沒有足夠的保護,就會破壞沿路徑進入芯片的電路,或者引腳上的電壓可能過高,如果電壓太高,就會產生過電應變,電感除受自身產生的電磁能量影響外,也受外部磁通量影響,因此在存在外部磁通量的情況下封裝電感時,將可能無法發揮其應有的功效。
 
  死于芯片的操作  
  在很多情況下,糟糕的熱設計并不會導致瞬間災難性的故障,甚至不會導致產品平庸,但器件壽命會變短,電源企業在眾多環節上做投資,越來越多的半導體生產商都采用嵌入式電源來降低產品成本,也使得功率越來越高,功率越高也隨之造成了電子元器件的發熱,芯片發熱帶來的問題不僅僅是手機在口袋里變熱。它會導致晶體管和它們之間的連接退化。這可能會影響性能和可靠性。
  
  芯片在惡劣環境中運行,產品的生命周期中還面臨很大的挑戰,半導體行業已經學會了如何應對這些挑戰,但是隨著制造尺寸變小以及采用新的封裝技術時,又會有新的影響產生,有時,這些新效應會導致器件失敗,絕不能一味追求高端工藝和高性能,而是根據應用需求選擇成熟制造工藝,學會規避問題,將問題最小化,做到量力而行、夠用就好。
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