來源：電子產品世界

隨著科學技術的發展，尤其是電子技術的更新換代，對電子裝置所用的元器件的質量要求越來越高，半導體器件的廣泛使用，其壽命經過效能退化，最終導致失效。

有很大一部分的電子元器件在極端溫度和惡劣環境下工作，造成不能正常工作，也有很大一部分元器件在研發的時候就止步於實驗室和晶圓廠裡。除去人為使用不當、浪湧和靜電擊穿等等都是導致半導體器件的壽命縮短的原因，除此之外，有些執行正常的器件也受到損害，出現元器件退化。

半導體元器件失效原因不可勝數，主要存在於幾個方面：

1.元器件的設計

先進特徵尺寸節點上，晶片老化是個日益嚴重的問題，但到目前為止，大多數設計團隊都沒有必要處理它。隨著新的可靠性要求在汽車等市場的提出，這些需要對影響老化的因素進行全面分析，這將發生重大變化。

人們通常都知道半導體器件會隨著時間的推移逐漸老化，但對於老化機制或導致晶片失效的制約因素卻毫不知情。此外，根據應用的不同，對器件的最短壽命有確定的要求。

對於消費類裝置可能是2或3年，對於電信裝置可能長達10年。鑑於老化過程複雜且通常難以完全預測，如今許多晶片設計經常採取冗餘設計的方法，以確保足夠的餘量來滿足可靠壽命工作的要求。　

“ 以運算放大器為例，它是很多東西的基礎。運算放大器必須正確偏置，並且必須在過驅動電壓中留有一些餘量。然後你必須確保留下足夠的餘量，這樣隨著時間的推移，運算放大器的老化將保持在電晶體的飽和區域內。電晶體的過驅動餘量正在縮小，因為7nm的電源電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒有任何空間來保留較大餘量。隨著老化，閾值電壓可以偏移多達50mV。如果運算放大器偏置電路偏移50mV，它可能會從飽和區域變為線性區域或三極體區，電晶體會變為電阻器而不再具有增益。運算放大器的功能是提供增益，那時電路變得毫無用處。”

老化和可靠性是模擬設計師面臨的挑戰。今天的設計可能不會在明天執行，因為這些設計可能會發生降級，目前最重要的是必須確保滿足市場所有老化和可靠性的要求。

2.元器件的製造

半導體器件的製造涉及到測量僅幾納米的結構。作為參照，人類DNA鏈直徑為2.5nm，而人頭髮直徑則為80，000至100，000nm。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。對於成熟的工藝節點，產率可能在80%到90%之間。然而，對於較新的節點，產率可能大大低於50%，儘管實際數字是嚴格保密的。

“ 即使裸片沒有受到災難性的影響，也不能被認為是可操作的。製造步驟不完善，哪怕一個原子的工藝變化也會產生顯著的差異。雖然這可能不會對設計的某些部分產生影響，但如果工藝變化恰好與關鍵時序路徑吻合，則可能會使器件不符合規格。”

隨著設計逐漸演變成採用先進封裝的深亞微米技術，現有的模擬工具和設計方法無法很好地反映變化及其對可靠性的影響。這會導致設計流程出現漏洞，從而導致一些失敗。設計流程越來越多地允許在開發早期就考慮到變化，以最大限度地減少其影響，而冗餘等設計技術可以減少需要丟棄的“幾乎可以工作”的晶片的數量。

3.ESD保護

通常，晶片會包含ESD保護，如果給晶片外部施加0.5V電壓，那麼在1nm的介質上產生0.5mV/m的電場。這足以導致高壓電弧。對於封裝內的單個裸片，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介面或任何型別的多晶片介面通道上消除它，這意味著你無法按照你針對單晶片的相同標準對每個晶片進行真正的測試。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。”

即使在執行期間，ESD事件也可能導致問題。在行動式電子產品中，ESD可以導致許多型別的軟錯誤。在ESD事件期間，電源供電網路(PDN)上可能會引起噪聲，原因在於某些IC(振盪器IC、CPU和其他IC)的靈敏度，或是PDN的場耦合。

4.磁場對半導體影響

隨著智慧手機、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。電源電路用一體成型電感的要求小尺寸且支援大電流，並且在智慧手機等一些使用電池的裝置中要求損耗低。

“ 電感在磁場中儲存能量來發揮其功能。但是，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。保證元器件的電感值指的是無外部磁通量狀態下的值。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。”

因此，EMS是人們不得不擔心的新問題。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，就會沿著路徑進入晶片內部電路造成破壞，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。

5.開關電源

現在電源行業已從前三四年的市場低迷中走了出來，但開關電源市場競爭日趨激烈，我國電源企業僅僅依靠低成本製造在世界市場上已無優勢可言，與此同時，國外功率半導體供應商在電源行業的地位進一步加強。

雖然市場發展形勢被看好，但是在過去十多年，中國開關電源企業依靠低成本優勢，生產那些符合全球知名OEM企業質量和效能引數要求的產品，為取得成功，中國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採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，而發熱帶來的問題不僅僅是手機在口袋裡變熱。它會導致電晶體和它們之間的連線退化，這也直接影響半導體元器件的效能和可靠性。”

總結

晶片在惡劣環境中執行，在產品的生命週期中還面臨很大的挑戰，但是隨著製造尺寸變小以及採用新的封裝技術時，又會有新的影響產生，也就直接導致了器件效能研發的失敗。