作者@@：Wolfe Yu
前言@@
半导体@@产品老化是一个自然现象@@，在@@电子@@应用中@@，基于@@环境@@、自然等因素@@，半导体@@在@@经过一段时间连续工作之后@@，其功能会逐渐丧失@@，这被称为功能失效@@。半导体@@功能失效主要包括@@：腐蚀@@、载流子注入@@、电迁移@@等@@。其中@@，电迁移@@引发的@@失效机理@@最为突出@@。技术@@型授权代理商@@Excelpoint世健@@的@@工程师@@Wolfe Yu在@@此对这一现象进行了分析@@。
背景@@
从@@20世纪初期第一个电子@@管诞生以来@@，电子@@产品与@@人类的@@联系越来越紧密@@，特别是进入@@21世纪以来@@，随着集成电路的@@飞速发展@@，人们对电子@@产品的@@需求也变得愈加丰富@@。随着电子@@产品的@@普及@@，电子@@产品失效率越来越高@@，质量变差@@，新产品不耐用@@。
由于产品失效率的@@提高@@@@，许多学者参与@@到半导体@@失效分析的@@研究中@@。经过大量研究分析和@@仿真@@，学者总结出@@：由于电流的@@作用@@，导致导线中的@@金属原子与@@电子@@通过摩擦产生电迁移@@位移现象所引发的@@失效是电子@@产品失效模式的@@主要因素之一@@。电迁移@@满足失效分布函数曲线@@，产品失效模式与@@产品工艺@@、工作温度关系密切@@。
相关理论@@
电迁移@@现象主要发生在@@半导体@@在@@通电状态下@@，由于电场作用@@，原子在@@与@@电子@@流的@@带动下@@，由于摩擦@@，产生移位@@现象@@，这一现象被称为电迁移@@@@。
图@@ 1. 电迁移@@作用力引发半导体@@失效原理@@
如图@@所示@@，在@@电场作用下@@，半导体@@在@@导通过程中@@，正电荷会同时受到静电场力和@@电子@@高速运动冲击所产生的@@风力作用@@。
由于电流密度@@增大@@，电子@@产生的@@风力会大于静电场力@@，从@@而导致正电荷@@——也就是金属原子@@，产生移位@@，这一现象称为电迁移@@效应或@@电迁移@@现象@@。经过长期积累@@，半导体@@的@@部分连接就会形成不连贯的@@晶须@@（Hillock）或@@空洞@@（Void），最终导致半导体@@元器件失效@@。
图@@ 2.电迁移@@作用失效示意图@@@@
James R.Black最早在@@@@1967年提出基于@@电迁移@@引起平均失效时间@@（MTTF）的@@数据拟合经验模型@@，为失效分析具有里程碑的@@意义@@。
按照@@Black模型公式@@：
半导体@@元器件的@@失效机理@@与@@材料@@、电子@@碰撞间隔平均自由时间@@、有效散射横截面积的@@因素常量@@A，电流密度@@j，绝对温度@@T等因素相关@@。Blench和@@Korhonen等人进一步对电迁移@@物理模型进行完善@@。半导体@@元器件的@@失效机理@@单元模型寿命可靠度函数符合欧拉公式@@。
根据@@以上公式@@，电流密度@@越大@@，半导体@@元器件的@@响应速度就快@@，188足彩外围@@app 寿命就会越短@@，反之@@，188足彩外围@@app 的@@寿命就会增长@@。要满足半导体@@元器件的@@响应速度@@，则半导体@@就需要较高的@@参杂度@@，另一方面@@，通过掺杂不同的@@材料@@、调整有效散射横截面积等因素也会对芯片的@@寿命产生影响@@。
常规解决方案@@
报废机制@@
企业通常利用产品生命周期管理方式@@，通过对产品生命周期进行分析@@，为产品设计一个报废界定时间@@。在@@汽车@@、水电气表等行业采用这种方式比较常见@@。
系统冗余@@
在@@保障性系统设计中@@，企业一般在@@报废机制@@的@@基础之上@@，还会通过采用双备@@份冗余设计@@、或@@者@@K/N表决冗余@@，并加上系统修复的@@方式进行系统设计@@。
技术@@源头控制@@
工艺控制理论@@
根据@@Black模型理论@@，当半导体@@采用宽线径工艺@@，横截面积较大时@@，其芯片寿命会变长@@，产品平均失效时间@@MTTF会相对拉得更长@@。这也从@@侧面解释了为什么传统工艺设计出来的@@产品可靠性更高@@。
差异化技术@@控制方法@@
在@@芯片原理设计中@@，采用不同的@@拓扑架构@@模型@@，通过差异化技术@@实现不同的@@控制方法也很常见@@，比如采用@@CMOS基本单元@@替代@@TTL基本单元@@、采用恒流源替代恒压源来完成不同的@@产品拓扑模型@@。在@@ADC、DAC、运算放大器@@、比较器等模型设计中十分常见@@。
在@@一些设计场合@@，通过调整芯片输入阈值@@，降低芯片灵敏度@@，或@@通过控制芯片切换频率@@，降低电流密度@@@@，达到提高@@产品可靠性的@@目的@@@@。
在@@核心处理芯片模型设计中@@，根据@@不同的@@应用场景@@，为了追求产品处理速度和@@可靠性@@，通常会采用不同的@@工艺模型进行芯片架构@@设计@@，比如从@@@@CMOS衍生出来的@@@@SRAM、DRAM、ROM、EEPROM、Flash等工艺用于不同的@@处理器@@产品架构@@中@@，会达到出不同的@@可靠性效果@@。
图@@ 3.不同工艺模型芯片单元架构@@@@
ROM工艺的@@@@处理器@@是一种非常古老的@@工艺产品@@，只能烧录一次@@，虽然在@@某些应用场景还依然被大量使用@@。但在@@目前主流的@@产品方案应用中@@，基于@@SRAM和@@Flash工艺的@@@@MCU、MPU或@@FPGA处理器@@占据了绝大多数应用场景@@。
Microchip高可靠性@@Flash FPGA介绍@@
SRAM工艺的@@@@处理器@@是通过@@CMOS内部管道切换的@@方式工作@@，其产品处理速度较高@@，被众多用户接受@@。但是@@，CMOS工艺有一个致命缺陷@@，由于工艺原因@@，伴随@@CMOS工艺制成芯片产生米勒效应极其容易受到外界干扰@@，产生翻转@@。另外@@，CMOS在@@翻转过程中@@，内阻变小@@，电流密度@@过大@@，芯片长期在@@高电流密度@@下工作@@，会加速产品老化时间@@。
除了基于@@传统@@CMOS的@@SRAM处理器@@之外@@，Microchip推出了一种基于@@叠栅@@MOS工艺的@@@@Flash架构@@FPGA处理器@@。
图@@4.Flash架构@@FPGA与@@SRAM架构@@FPGA的@@差别@@
Microchip的@@FPGA 产品范围覆盖从@@低端到中端应用@@，其产品特点以抗单粒子翻转@@、安全@@、低功耗@@和@@上电即工作著称@@，广泛应用于通信@@、国防和@@航空@@、工业嵌入式产品@@。Microchip 目前主推三大系列@@@@ FPGA：
• 支持@@5K-150K LE(Logic Elements)具有大量资源的@@低密度器件的@@@@IGLOO®2 系列@@；
• 支持@@5K-150K LE具有大量资源和@@@@ 32 位硬核处理器@@内核@@(ARM Cortex-M3)
的@@SmartFusion®2 SoC系列@@；
• 以及采用@@ 28 纳米工艺技术@@实现@@, 支持@@25K - 480K LE的@@高性能@@PolarFire™ FPGA 和@@ PolarFire™ SoC系列@@(Hard 5-Core RISC-V 600MHZ CPU)。
这三大系列@@@@FPGA除了具有抗干扰@@、低功耗@@、上电启动的@@特征外@@，还具有强大的@@@@DSP/数学模块@@（18x18乘法器@@），可用于当前热门的@@@@AI市场@@。
Microchip的@@这款@@Flash架构@@的@@@@FPGA最大的@@一个特点是电流密度@@小@@、抗干扰能力强@@、动态切换不会出现电流波动@@，基于@@其低功耗@@的@@特点@@，可大大延长产品使用寿命@@。非常适合应用在@@高可靠性@@@@、低失效率应用场合@@，能高效改善因电迁移@@引发的@@半导体@@失效问题@@。其授权代理商@@Excelpoint世健@@可提供技术@@支持@@和@@指导@@。
参考文献@@：
[1] J. R. Black, "Electromigration—A brief survey and some recent results," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 16, no. 4, pp. 338-347, April 1969, doi: 10.1109/T-ED.1969.16754.
[2] 陶凯@@.先进分栅闪存器件集成制造的@@整合与@@优化@@[D].导师@@：邹世昌@@;孔蔚然@@.中国科学院研究生院@@（上海微系统与@@信息技术@@研究所@@）,2007.
[3] 尹立孟@@,张新平@@.电子@@封装微互连中的@@电迁移@@@@[J].电子@@学报@@,2008,(08):1610-1614.
[4] S. Chatterjee, V. Sukharev and F. N. Najm, "Power Grid Electromigration Checking Using Physics-Based Models," in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 37, no. 7, pp. 1317-1330, July 2018
本文转载自@@：Excelpoint世健@@