隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的更新?lián)Q代，對電子設備所用的元器件的質(zhì)量要求越來(lái)越高，半導體器件的廣泛使用，其壽命經(jīng)過(guò)性能退化，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(huán)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(fā)的時(shí)候就止步于實(shí)驗室和晶圓廠(chǎng)里。除去人為使用不當、浪涌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，有些運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，主要存在于幾個(gè)方面：　　

1、元器件的設計

先進(jìn)特征尺寸節點(diǎn)上，芯片老化是個(gè)日益嚴重的問(wèn)題，但到目前為止，大多數設計團隊都沒(méi)有必要處理它。隨著(zhù)新的可靠性要求在汽車(chē)等市場(chǎng)的提出，這些需要對影響老化的因素進(jìn)行全面分析，這將發(fā)生重大變化。

人們通常都知道半導體器件會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸老化，但對于老化機制或導致芯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。

對于消費類(lèi)設備可能是2或3年，對于電信設備可能長(cháng)達10年。鑒于老化過(guò)程復雜且通常難以完全預測，如今許多芯片設計經(jīng)常采取冗余設計的方法，以確保足夠的余量來(lái)滿(mǎn)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，并且必須在過(guò)驅動(dòng)電壓中留有一些余量。然后你必須確保留下足夠的余量，這樣隨著(zhù)時(shí)間的推移，運算放大器的老化將保持在晶體管的飽和區域內。晶體管的過(guò)驅動(dòng)余量正在縮小，因為7nm的電源電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒(méi)有任何空間來(lái)保留較大余量。隨著(zhù)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(huì )從飽和區域變?yōu)榫€(xiàn)性區域或三極管區，晶體管會(huì )變?yōu)殡娮杵鞫辉倬哂性鲆?。運算放大器的功能是提供增益，那時(shí)電路變得毫無(wú)用處?！?/span>

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(huì )在明天運行，因為這些設計可能會(huì )發(fā)生降級，目前最重要的是必須確保滿(mǎn)足市場(chǎng)所有老化和可靠性的要求。

2、元器件的制造

半導體器件的制造涉及到測量?jì)H幾納米的結構。作為參照，人類(lèi)DNA鏈直徑為2.5nm，而人頭發(fā)直徑則為80，000至100，000nm。一粒塵?？梢源輾ЬA片上的幾個(gè)裸片。

如果裸片的尺寸變大，隨機失效的可能性就會(huì )增加。對于成熟的工藝節點(diǎn)，產(chǎn)率可能在80%到90%之間。然而，對于較新的節點(diǎn)，產(chǎn)率可能大大低于50%，盡管實(shí)際數字是嚴格保密的。

“ 即使裸片沒(méi)有受到災難性的影響，也不能被認為是可操作的。制造步驟不完善，哪怕一個(gè)原子的工藝變化也會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的差異。雖然這可能不會(huì )對設計的某些部分產(chǎn)生影響，但如果工藝變化恰好與關(guān)鍵時(shí)序路徑吻合，則可能會(huì )使器件不符合規格?！?/span>

隨著(zhù)設計逐漸演變成采用先進(jìn)封裝的深亞微米技術(shù)，現有的仿真工具和設計方法無(wú)法很好地反映變化及其對可靠性的影響。這會(huì )導致設計流程出現漏洞，從而導致一些失敗。設計流程越來(lái)越多地允許在開(kāi)發(fā)早期就考慮到變化，以最大限度地減少其影響，而冗余等設計技術(shù)可以減少需要丟棄的“幾乎可以工作”的芯片的數量。

3、ESD保護

通常，芯片會(huì )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(zhì)上產(chǎn)生0.5mV/m的電場(chǎng)。這足以導致高壓電弧。對于封裝內的單個(gè)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(lèi)型的多芯片接口通道上消除它，這意味著(zhù)你無(wú)法按照你針對單芯片的相同標準對每個(gè)芯片進(jìn)行真正的測試。它們必須經(jīng)過(guò)更專(zhuān)業(yè)的測試，因為它們的ESD保護很小，或者可能沒(méi)有ESD保護?！薄?/span>

即使在運行期間，ESD事件也可能導致問(wèn)題。在便攜式電子產(chǎn)品中，ESD可以導致許多類(lèi)型的軟錯誤。在ESD事件期間，電源供電網(wǎng)絡(luò )(PDN)上可能會(huì )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(chǎng)耦合。

4、磁場(chǎng)對半導體影響

隨著(zhù)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。電源電路用一體成型電感的要求小尺寸且支持大電流，并且在智能手機等一些使用電池的設備中要求損耗低。

“ 電感在磁場(chǎng)中儲存能量來(lái)發(fā)揮其功能。但是，電感除受自身產(chǎn)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(wú)外部磁通量狀態(tài)下的值。因此，在存在外部磁通量的情況下封裝電感時(shí)，將可能無(wú)法發(fā)揮其應有的功效?！?/span>

因此，EMS是人們不得不擔心的新問(wèn)題。能量注入測試是從150kHz開(kāi)始注入1W能量，一直到1GHz。在每個(gè)頻率，你會(huì )向系統注入1W的能量。如果你沒(méi)有足夠的保護，就會(huì )沿著(zhù)路徑進(jìn)入芯片內部電路造成破壞，或者引腳上的電壓可能過(guò)高，如果電壓太高，就會(huì )產(chǎn)生過(guò)電應變。

5、開(kāi)關(guān)電源

現在電源行業(yè)已從前三四年的市場(chǎng)低迷中走了出來(lái)，但開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)競爭日趨激烈，我國電源企業(yè)僅僅依靠低成本制造在世界市場(chǎng)上已無(wú)優(yōu)勢可言，與此同時(shí)，國外功率半導體供應商在電源行業(yè)的地位進(jìn)一步加強。

雖然市場(chǎng)發(fā)展形勢被看好，但是在過(guò)去十多年，中國開(kāi)關(guān)電源企業(yè)依靠低成本優(yōu)勢，生產(chǎn)那些符合全球知名OEM企業(yè)質(zhì)量和性能參數要求的產(chǎn)品，為取得成功，中國電源企業(yè)在眾多環(huán)節上做投資，越來(lái)越多的半導體生產(chǎn)商都采用嵌入式電源來(lái)降低產(chǎn)品成本，也使得功率越來(lái)越高。

“ 功率越高也隨之造成了電子元器件的發(fā)熱，而發(fā)熱帶來(lái)的問(wèn)題不僅僅是手機在口袋里變熱。它會(huì )導致晶體管和它們之間的連接退化，這也直接影響半導體元器件的性能和可靠性?！?/span>

芯片在惡劣環(huán)境中運行，在產(chǎn)品的生命周期中還面臨很大的挑戰，但是隨著(zhù)制造尺寸變小以及采用新的封裝技術(shù)時(shí)，又會(huì )有新的影響產(chǎn)生，也就直接導致了器件性能研發(fā)的失敗。