【導讀】半導體產品老化是一個自然現象
，在電子應用中
，基於環境、自然等因素
，半導體在經過一段時間連續工作之後
，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在此對這一現象進行了分析。

前言

半導體產品老化是一個自然現象，在電子應用中
，基於環境

、自然等因素，半導體在經過一段時間連續工作之後，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
，電子產品與人類的聯係越來越緊密，特別是進入21世shi紀ji以yi來lai，隨sui著zhe集ji成cheng電dian路lu的de飛fei速su發fa展zhan，人ren們men對dui電dian子zi產chan品pin的de需xu求qiu也ye變bian得de愈yu加jia豐feng富fu。隨sui著zhe電dian子zi產chan品pin的de普pu及ji，電dian子zi產chan品pin失shi效xiao率lv越yue來lai越yue高gao
，質zhi量liang變bian差cha，新xin產chan品pin不bu耐nai用yong。

由於產品失效率的提高，許多學者參與到半導體失效分析的研究中。經過大量研究分析和仿真，學者總結出：youyudianliudezuoyong

，daozhidaoxianzhongdejinshuyuanziyudianzitongguomocachanshengdianqianyiweiyixianxiangsuoyinfadeshixiaoshidianzichanpinshixiaomoshidezhuyaoyinsuzhiyi。dianqianyimanzushixiaofenbuhanshuquxian，chanpinshixiaomoshiyuchanpingongyi
、工作溫度關係密切。

2、相關理論

電dian遷qian移yi現xian象xiang主zhu要yao發fa生sheng在zai半ban導dao體ti在zai通tong電dian狀zhuang態tai下xia，由you於yu電dian場chang作zuo用yong，原yuan子zi在zai與yu電dian子zi流liu的de帶dai動dong下xia
，由you於yu摩mo擦ca，產chan生sheng移yi位wei現xian象xiang，這zhe一yi現xian象xiang被bei稱cheng為wei電dian遷qian移yi。

圖 1. 電遷移作用力引發半導體失效原理

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衝擊所產生的風力作用。

由於電流密度增大，電子產生的風力會大於靜電場力，從而導致正電荷——也就是金屬原子，產生移位，這一現象稱為電遷移效應或電遷移現象。經過長期積累，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年提出基於電遷移引起平均失效時間（MTTF）的數據擬合經驗模型，為失效分析具有裏程碑的意義。

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
、有效散射橫截麵積的因素常量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符合歐拉公式。

genjuyishanggongshi，dianliumiduyueda，bandaotiyuanqijiandexiangyingsudujiukuai
，yuanjianshoumingjiuhuiyueduan，fanzhi
，yuanjiandeshoumingjiuhuizengchang。yaomanzubandaotiyuanqijiandexiangyingsudu，zebandaotijiuxuyaojiaogaodecanzadu，lingyifangmian
，tongguochanzabutongdecailiao、調整有效散射橫截麵積等因素也會對芯片的壽命產生影響。

3、常規解決方案

（1） 報廢機製

企業通常利用產品生命周期管理方式
，通過對產品生命周期進行分析，為產品設計一個報廢界定時間。在汽車、水電氣表等行業采用這種方式比較常見。

（2） 係統冗餘

在保障性係統設計中，企業一般在報廢機製的基礎之上
，還會通過采用雙備份冗餘設計、或者K/N表決冗餘，並加上係統修複的方式進行係統設計。

4、技術源頭控製

（1） 工藝控製理論

根據Black模型理論，當半導體采用寬線徑工藝，橫截麵積較大時
，其芯片壽命會變長，產品平均失效時間MTTF會相對拉得更長。這也從側麵解釋了為什麼傳統工藝設計出來的產品可靠性更高。

（2） 差異化技術控製方法

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不同的控製方法也很常見，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，通過調整芯片輸入閾值
，降低芯片靈敏度，或通過控製芯片切換頻率，降低電流密度，達到提高產品可靠性的目的。

zaihexinchulixinpianmoxingshejizhong，genjubutongdeyingyongchangjing，weilezhuiqiuchanpinchulisuduhekekaoxing，tongchanghuicaiyongbutongdegongyimoxingjinxingxinpianjiagousheji，birucongCMOS衍生出來的SRAM、DRAM、ROM
、EEPROM、Flash等工藝用於不同的處理器產品架構中，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(gong)藝(yi)的(de)處(chu)理(li)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)古(gu)老(lao)的(de)工(gong)藝(yi)產(chan)品(pin)
，隻(zhi)能(neng)燒(shao)錄(lu)一(yi)次(ci)
，雖(sui)然(ran)在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)還(hai)依(yi)然(ran)被(bei)大(da)量(liang)使(shi)用(yong)。但(dan)在(zai)目(mu)前(qian)主(zhu)流(liu)的(de)產(chan)品(pin)方(fang)案(an)應(ying)用(yong)中(zhong)，基(ji)於(yu)SRAM和Flash工藝的MCU


、MPU或FPGA處理器占據了絕大多數應用場景。

5、Microchip高可靠性Flash FPGA介紹

SRAM工藝的處理器是通過CMOS內部管道切換的方式工作，其產品處理速度較高，被眾多用戶接受。但是，CMOS工藝有一個致命缺陷，由於工藝原因
，伴隨CMOS工藝製成芯片產生米勒效應極其容易受到外界幹擾
，產生翻轉。另外
，CMOS在翻轉過程中，內阻變小
，電流密度過大，芯片長期在高電流密度下工作，會加速產品老化時間。

除了基於傳統CMOS的SRAM處理器之外

，Microchip推出了一種基於疊柵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 產品範圍覆蓋從低端到中端應用，其產品特點以抗單粒子翻轉、安全、低功耗和上電即工作著稱，廣泛應用於通信、國防和航空、工業嵌入式產品。Microchip 目前主推三大係列 FPGA：

• 支持5K-150K LE（Logic Elements）具有大量資源的低密度器件的IGLOO®2 係列
  ；

• 支持5K-150K LE具有大量資源和 32 位硬核處理器內核（ARM Cortex-M3）的SmartFusion®2 SoC係列；

• 以及采用 28 納米工藝技術實現, 支持25K - 480K LE的高性能PolarFire™ FPGA 和 PolarFire™ SoC係列（Hard 5-Core RISC-V 600MHZ CPU）。

這三大係列FPGA除了具有抗幹擾、低功耗
、上電啟動的特征外
，還具有強大的DSP/數學模塊（18x18乘法器），可用於當前熱門的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、抗幹擾能力強、動態切換不會出現電流波動，基於其低功耗的特點，可大大延長產品使用壽命。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。

關於世健——亞太區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商（OEM）、原設計生產商（ODM）和電子製造服務提供商（EMS）提供優質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。多次被權威雜誌和行業機構列入全球領先分銷商榜單。

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，幫bang助zhu客ke戶hu提ti高gao成cheng本ben效xiao益yi並bing縮suo短duan產chan品pin上shang市shi時shi間jian。世shi健jian研yan發fa的de完wan整zheng解jie決jue方fang案an及ji參can考kao設she計ji可ke應ying用yong於yu工gong業ye、無線通信及消費電子等領域。

世健擁有超過35年曆史、逾700名員工，業務擴展至亞太區的49個城市和地區，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
，世健在香港設立區域總部——世健係統（香港）有限公司

，正式開始發展中國業務。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。憑借專業的研發團隊、頂尖的現場應用支持以及豐富的市場經驗，世健在中國業內享有領先地位。

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