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1、什么是芯片可靠性

 

可靠性的定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

因此出現(xiàn)功能故障或超出預(yù)期的性能退化都可以認(rèn)為是出現(xiàn)了可靠性問題。為了理解不同時(shí)期器件失效發(fā)生的物理機(jī)理，可靠性工程中引入著名的“浴盆曲線”概念。

圖1芯片失效浴盆曲線 

 

可靠性浴盆曲線反應(yīng)了失效的一般規(guī)律。用車輛的使用情況來類比，車輛在使用的不同階段也會表現(xiàn)出類似的失效規(guī)律。

 

早期階段（磨合期）：在車輛剛出廠并開始使用的初期，可能會遇到一些生產(chǎn) 缺陷或裝配問題，例如發(fā)動機(jī)或變速箱故障。這些問題對應(yīng)了芯片在使用初期由于器件生產(chǎn)的嚴(yán)重缺陷而導(dǎo)致的高失效率。

 

中期階段（正常使用期）：一旦車輛經(jīng)過了磨合期并進(jìn)行了必要的初期維護(hù)，就進(jìn)入了一個(gè)相對穩(wěn)定和可靠的使用階段。在這一階段，車輛一般只有偶發(fā)性的失效，例如輪胎扎釘，需要進(jìn)行常規(guī)的保養(yǎng)和維修。這對應(yīng)了芯片的使用中期，只有偶發(fā)性失效，這也是芯片的主要使用壽命期。

晚期階段（老化退役期）：隨著車輛逐漸老化，關(guān)鍵部件開始出現(xiàn)磨損和老化，如發(fā)動機(jī)效率降低、零部件腐蝕等，失效率顯著上升。這對應(yīng)了芯片在使用晚期由于器件的正常退化而導(dǎo)致的高失效率。

通過類比，無論是車輛還是芯片，其壽命周期都可以分為早期、高失效率的磨合期；中期、低失效率的穩(wěn)定期；以及晚期、高失效率的退役期。物理規(guī)律決定了老化失效無法避免，因此剔除早期的生產(chǎn)缺陷，盡量避免中期偶發(fā)性失效的影響，延長穩(wěn)定期，使“浴盆變大”，是可靠性設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

 

2、芯片可靠性設(shè)計(jì)的意義

        

談到可靠性的設(shè)計(jì)，需要先給大家介紹一個(gè)在安全領(lǐng)域的重要經(jīng)驗(yàn)法則--海因里希法則（Heinrich's Law），該法則是關(guān)于工業(yè)生產(chǎn)安全乃至廣泛行業(yè)安全管理的一個(gè)重要原理，由美國保險(xiǎn)公司工程師赫伯特·威廉·海因里希提出。它強(qiáng)調(diào)了事故預(yù)防的重要性，指出在每一次嚴(yán)重事故背后，通常存在著一系列的輕微事故、未遂先兆和安全隱患的累積。具體來說，海因里希法則的內(nèi)容可以概括為：

 

每一起嚴(yán)重的工業(yè)事故背后，平均有29起輕微事故；

 

每29起輕微事故背后，平均有300起未遂事件；

 

每300起未遂事件背后，平均有數(shù)百個(gè)安全隱患。

 

 

圖2海因里希法則 

 

這個(gè)比例并非絕對固定的數(shù)字，而是用來形象地傳達(dá)一個(gè)概念，即事故的發(fā)生不是孤立的，而是眾多不安全因素累積的結(jié)果。在安全管理中，通過識別并解決這些小事故、未遂先兆和隱患，可以有效防止嚴(yán)重事故的發(fā)生。    

“海因里希法則”強(qiáng)調(diào)：在管理和控制層面，任何一個(gè)問題只要被發(fā)現(xiàn)，其解決所需的成本將隨時(shí)間推移而不斷增加，因此應(yīng)在問題發(fā)生時(shí)及時(shí)解決，以降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。具體到芯片領(lǐng)域，從芯片設(shè)計(jì)到制造、封裝、測試、量產(chǎn)，越到芯片制造的后期階段，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的成本就越高，不僅消耗大量的人力，物力和時(shí)間，甚至付出企業(yè)無法承受的代價(jià)。

因此，“可靠性是設(shè)計(jì)出來的，不是測試出來的”是高可靠芯片設(shè)計(jì)的重要理念。要交付滿足高可靠性需求的芯片產(chǎn)品，必須要在設(shè)計(jì)之初就對芯片的可靠性加以考慮，并且將這一理念貫徹到制造工藝，系統(tǒng)架構(gòu)，電路實(shí)現(xiàn)，仿真驗(yàn)證，封裝選型以及量產(chǎn)測試的各個(gè)環(huán)節(jié)之中，而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要我們對芯片的失效機(jī)制有充分的了解。                                               

 

3、芯片的失效機(jī)制           

 

通常情況下，一個(gè)完整的芯片產(chǎn)品是由實(shí)現(xiàn)核心功能的裸片(DIE)和提供物理保護(hù)及電氣接口的封裝兩大部分組成，這兩部分出現(xiàn)的可靠性問題都會導(dǎo)致芯片失效。

 

1、封裝可靠性問題

封裝是將DIE固定在一個(gè)載體上，通過金屬線（引線鍵合）或其他先進(jìn)技術(shù)（如Flip Chip）連接到外部的引腳或焊球，最后整個(gè)結(jié)構(gòu)被包裹在塑料、陶瓷等保護(hù)材料中，便于運(yùn)輸和安裝。封裝的主要目的是保護(hù)脆弱的芯片DIE免受物理損傷、潮濕、靜電和腐蝕等環(huán)境因素的影響，同時(shí)也要考慮散熱性能、信號完整性以及適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。封裝的可靠性涉及多個(gè)方面，包括但不限于以下幾點(diǎn)。

 

1）貼片的可靠性(Die Bond Reliability)問題

無論封裝形式如何，在芯片封裝的過程中通常需要將DIE固定到載體上，這一步驟為貼片。貼片的材料和工藝有很多種，而DIE以及貼片材料由于各自不同的材料特性，在工作條件下可能出現(xiàn)問題，導(dǎo)致芯片失效。

 

2）引線鍵合的可靠性(Wire Bond Reliability)問題

引線鍵合是封裝中的常用方式，用來連接DIE表面電極到封裝引腳。電極和引線間的結(jié)合處可能由于熱應(yīng)力的原因?qū)е骆I合面出現(xiàn)疲勞而引起芯片失效。

 

圖3不同溫度下CU互連樣品橫截面應(yīng)力誘生空洞失效FIB照片

a）150℃，b）200℃，c）250℃，d）300℃

 

3）水汽引發(fā)的可靠性問題

封裝中的有機(jī)物高分子材料的特點(diǎn)是多孔性和親水性，很容易在潮濕環(huán)境中吸附水分，封裝內(nèi)部的濕氣會帶來例如短路、分層以及高溫下產(chǎn)生蒸汽而造成的"爆米花"失效等風(fēng)險(xiǎn)。

 

4）熱應(yīng)力引發(fā)的鈍化層破裂

DIE表面通常會覆蓋一層或多層致密的鈍化層以防止?jié)駳饣蛞苿与x子等侵入DIE內(nèi)部導(dǎo)致電性能失效。由于材料不同的熱膨脹系數(shù)，在芯片工作的過程中由于溫度的變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能引起鈍化層發(fā)生斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致芯片電性能失效。

 

封裝可靠性問題還有很多，為了評估和保證封裝可靠性，通常會進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，例如溫度循環(huán)試驗(yàn)(Thermal Cycling)、高溫存儲試驗(yàn)(High Temperature Storage)等。通過這些測試，工程師可以驗(yàn)證封裝設(shè)計(jì)的有效性，并針對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化。

 

2、DIE內(nèi)可靠性問題

這里主要介紹器件和金屬互連線的可靠性問題，常見的失效機(jī)制有：TDDB、HCI、NBTI、EM等。

 

1）TDDB（Time Dependent Dielectric Breakdown，經(jīng)時(shí)介質(zhì)擊穿）

TDDB是時(shí)間依賴型的介質(zhì)擊穿，是指絕緣介質(zhì)材料（如MOS管的柵氧）在電場作用下產(chǎn)生缺陷，缺陷經(jīng)過長時(shí)間的累積最終導(dǎo)致介質(zhì)擊穿的現(xiàn)象。TDDB會導(dǎo)致介質(zhì)層短路，影響電路的功能進(jìn)而造成芯片失效。

 

TDDB主要跟電壓和溫度相關(guān)，高壓高溫會更快地導(dǎo)致TDDB發(fā)生。在CMOS工藝中，影響TDDB的電壓主要是Vgs/Vgd/Vgb，高壓設(shè)計(jì)需要關(guān)注TDDB失效風(fēng)險(xiǎn)。

 

2）HCI(Hot Carrier Injection, 熱載流子注入)

熱載流子是指在半導(dǎo)體器件中，由于強(qiáng)電場作用或光激發(fā)等原因，獲得了比熱平衡狀態(tài)更高動能的電子或空穴。MOS管溝道中的熱載流子能直接注入或通過隧穿效應(yīng)進(jìn)入MOS管的柵氧化層，使MOS管的閾值電壓Vth，跨導(dǎo)gm等參數(shù)發(fā)生漂移或退化的現(xiàn)象就是HCI效應(yīng)。

 

MOS器件中的熱載流子主要有溝道熱載流子、襯底熱載流子、漏雪崩熱載流子、二次產(chǎn)生熱電子，這些熱載流子引發(fā)HCI效應(yīng)的機(jī)理不同，會產(chǎn)生不同的退化特性，比如有些工藝的MOS管在低溫下更容易退化，比如MOS管導(dǎo)通時(shí)存在HCI效應(yīng)，關(guān)斷時(shí)也可能存在HCI效應(yīng)。

 

影響MOS管HCI效應(yīng)的電壓主要是Vgs和Vds。比如工藝中看到的18ud12類型的管子，說明該MOS柵氧耐壓是1.8V，Vds的耐壓是1.2V，該MOS管比普通管的溝道長度小，相同電壓條件下HCI效應(yīng)更明顯，退化更快，為了保持一定的使用壽命，該MOS需要在更低的Vds電壓下使用。

 

3）NBTI(Negative Bias Temperature Instability, 負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定)

NBTI主要在PMOS中發(fā)生，是指在高溫下對PMOS柵氧進(jìn)行負(fù)向偏壓，柵氧化層上的界面電荷陷阱被激活并捕獲了空穴，這些空穴的累積導(dǎo)致PMOS管閾值電壓負(fù)向漂移的現(xiàn)象。

 

NBTI過程是可逆的，當(dāng)器件回到室溫或柵極電壓變?yōu)檎珪r(shí)，NBTI可以部分恢復(fù)，但長時(shí)間的NBTI會導(dǎo)致永久性的性能退化。

 

4）EM(Electro-Migration, 電遷移)

EM是指在通電導(dǎo)體中，由于電流和溫度的作用，電子的移動與金屬離子產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致金屬離子移位的現(xiàn)象。金屬原子沿電子流方向遷移時(shí)，會在原有位置上形成空洞，同時(shí)在連接處容易形成金屬原子堆積出現(xiàn)丘狀突起，前者容易導(dǎo)致斷路，后者容易引起相鄰金屬線間的短路。

圖4 EM失效               

 

電遷移是一種微觀現(xiàn)象，電遷移不明顯時(shí)主要表現(xiàn)為一定的電阻增加，電路特性上不容易表現(xiàn)出來，芯片的可靠性驗(yàn)證較難覆蓋到，需要在設(shè)計(jì)中考慮充分。

 

設(shè)計(jì)中，電遷移的影響通?？梢酝ㄟ^電流密度來判斷，電流密度大的地方電遷移特性會更明顯，例如根據(jù)電流大小來確定互連金屬線的寬度，再比如模擬射頻電路中會碰到要求至少兩個(gè)孔或單長孔，也是基于電遷移的考慮。

 

器件和金屬互連線失效機(jī)制還有很多（如SM、BJT管可靠性等），每種失效都有一定的模型進(jìn)行擬合，可以加強(qiáng)對失效機(jī)制的理解。在電路設(shè)計(jì)中，將這些特性考慮進(jìn)去，提高電路的魯棒性，增強(qiáng)電路的可靠性。