1. 引言

電子元器件的可靠性是電子設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)。電子可靠性工程是提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低硬件生產(chǎn)故障率和市場失效率的系統(tǒng)工程。 根據(jù)業(yè)界的分析，60%以上的生產(chǎn)故障是由于器件失效引起的，70%以上的市場返修也是因為器件失效引起的，而大多數(shù)公司對此卻沒有采用系統(tǒng)化的電子可靠性工程方法來解決，導(dǎo)致效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性不高。其實，通過選擇合適的器件，有效地控制器件質(zhì)量，合理應(yīng)用器件，進(jìn)行可靠性設(shè)計，達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品質(zhì)量是可以實現(xiàn)的。集成電路芯片在電子系統(tǒng)中起到越來越重要的作用，在以珍視生命的大前提下現(xiàn)代的醫(yī)療設(shè)備，汽車，武器裝備，航空設(shè)備等電子系統(tǒng)的使用，保障和維修費用越來越龐大，經(jīng)濟(jì)可承受性成為一個不可回避的問題。現(xiàn)在，故障預(yù)測和健康管理技術(shù)在電子系統(tǒng)中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，作為電子系統(tǒng)的主要部件和大腦的集成電路芯片能不能也采用故障預(yù)測和健康管理技術(shù)呢？能不能做到將故障預(yù)測的范圍從部件縮小到芯片呢？

2.故障預(yù)測與故障診斷

故障是產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能或性能退化不滿足規(guī)定要求的狀態(tài)。現(xiàn)在通常的做法是在故障發(fā)生后，通過故障診斷的方法找到故障原因。故障診斷是系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過別的方式、手段來警戒用戶，因此故障診斷是事后維修的一個依據(jù)。事后維修是以系統(tǒng)故障為依據(jù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后才進(jìn)行維修以恢復(fù)系統(tǒng)的正常功能。事后維修是最原始的維修方式，可以減少一些不必要的維修費用，但當(dāng)一個部件出現(xiàn)故障時他可能會損壞其他部件，毀壞整個系統(tǒng)，甚至危及人身安全。這是事后維修的局限性。

在這里提出新的概念—故障預(yù)測和健康管理。故障預(yù)測是以當(dāng)前的使用狀態(tài)為起點，對將來可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測，向用戶及時提出警告，以便能夠采取措施避免重大惡性事故發(fā)生外，對現(xiàn)行的系統(tǒng)管理和維修制度也有開創(chuàng)性的作用，達(dá)到及時的故障預(yù)測和有效的健康管理。Ridgetop-Group 的故障預(yù)測和健康管理方案能夠告訴用戶當(dāng)前系統(tǒng)的健康狀態(tài)和剩余有用時間。因此故障診斷是發(fā)生在系統(tǒng)失效之后，故障預(yù)測和健康管理是發(fā)生在故障出現(xiàn)之前。下面給出Ridgetop Group 關(guān)于集成電路芯片器件和電子系統(tǒng)的故障預(yù)測說明圖1.

Ridgetop 建議如果芯片觸發(fā)了故障預(yù)測報警點，說明芯片已經(jīng)接近它的實際壽命，應(yīng)該提前采取措施，預(yù)防重大事故發(fā)生，比如更換芯片或更換整個PCB板。

3.集成電路器件故障預(yù)測的應(yīng)用

故障預(yù)測和健康管理技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在航天、民用飛機(jī)、武器、軍事上，這里不在贅述。在這里將要討論集成電路芯片器件的故障預(yù)測技術(shù)，首先應(yīng)知道有哪些因素導(dǎo)致芯片的壽命減短或在芯片的生命周期內(nèi)失效呢？ESD、TDDB（時間相關(guān)介質(zhì)擊穿）、NBTI（Negative Bias Temperature Instability）、電遷移、熱載流子、輻射損傷等實效機(jī)理是半導(dǎo)體中無法回避的。既然這些半導(dǎo)體效應(yīng)是不可避免的、不可回避的，就可以根據(jù)這些效應(yīng)進(jìn)行集成電路器件的壽命進(jìn)行預(yù)測。可靠性的問題實際上也是對未知的問題加以控制。美國Ridgetop-Group針對靜電損傷（ESD）、TDDB（Time Dependent Dielectric Breakdown）、電遷移、NBTI（Negative Bias Temperature Instability）、熱載流子、輻射損傷等失效機(jī)理，做到了在宿主器件剩余20%壽命時失效。 根據(jù)故障預(yù)測的結(jié)果或故障預(yù)測的報警點可以進(jìn)行預(yù)知維修，比如更換芯片或提供芯片的真正的使用壽命給芯片設(shè)計者。以至于把災(zāi)難性故障的風(fēng)險降到最小，使系統(tǒng)或芯片器件發(fā)揮最大的效能。這里主要介紹ESD、HC、TDDB、NBTI的故障預(yù)測。

3.1 靜電損傷的故障預(yù)測

靜電損傷是半導(dǎo)體領(lǐng)域的難點， 很多企業(yè)使用靜電腕帶或離子風(fēng)來減少靜電效應(yīng)， 靜電損傷是不易被察覺的，它的影響也是不能馬上就能體現(xiàn)出來。但是靜電損傷的確是存在的，也是減少芯片器件生命周期的一個因素，也就是使對靜電損傷進(jìn)行故障預(yù)測成為有效使命。這里提供Ridgetop-Group關(guān)于靜電損傷的故障預(yù)測單元。

請看它的示意圖2.和ESD預(yù)測單元圖3。

圖 2. 示意圖

圖3. ESD 預(yù)測單元

從圖3.看， ESD故障預(yù)測單元是和用戶的主電路在同一芯片器件里， 和主電路處在相同的環(huán)境下，環(huán)境包括過高壓、 過低壓、 瞬時毛刺、濕度、惡劣的溫度及輻射。 因此ESD單元能夠預(yù)測主電路的使用壽命，給出預(yù)測報警點，但是它需要占用額外的芯片管腳。

3.2 熱載流子（HC）的故障預(yù)測

熱載流子容易在N溝道MOS管靠近漏極處在二氧化硅或硅處形成負(fù)電荷陷阱。 熱載流子效應(yīng)是MOS管的一個重要失效機(jī)理，是大家所不希望的。 熱載流子容易導(dǎo)致MOS管的Vt增加和Id減小。示意圖4和圖5.

圖4. 漏極雪崩熱載流子 圖5. 溝道熱載流子

目前，通過施加電應(yīng)力加速MOS器件中熱載流子效應(yīng)的產(chǎn)生，并以器件的某些參數(shù)（例如閾值電壓Vth、跨導(dǎo)gm等）變化量達(dá)到行業(yè)標(biāo)注為失效判據(jù)，估算出器件在應(yīng)力作用下的壽命值，再根據(jù)一定的模型推算出正常工作條件下的壽命值—既芯片的設(shè)計壽命。Ridgetop-Group 提出了用在芯片中附加熱載流子單元方法來監(jiān)測熱載流子效應(yīng)，實時監(jiān)測芯片的健康狀態(tài)和芯片的剩余使用壽命，使芯片的效能達(dá)到最大化。介紹一下HC單元的示意圖6. 和應(yīng)用圖7.

圖6 HC單元示意圖

圖7. HC單元應(yīng)用圖

如圖7.HC單元與主電路被放在一起，與主電路一樣受相同的外界應(yīng)力影響，這些外界應(yīng)力決定著芯片的壽命。當(dāng)主電路在測試方式下，這個單元將觸發(fā)，進(jìn)入到預(yù)定的、連續(xù)的應(yīng)力和測試循環(huán)，最終給出電路真正的壽命。

TDDB效應(yīng)的故障預(yù)測

TDDB效應(yīng)是由小幾何體， 多溝道，薄柵氧化層， NMOS 襯底注入引起的， 它容易造成噪聲增加，功耗增加，MOS管器件電參數(shù)不穩(wěn)定，如：闌值電壓漂移、跨導(dǎo)下降和漏電流增加等，甚至可引起MOS管失效。Ridgetop-Group TDDB 故障預(yù)測單元是利用和主電路在一起的利用JTAG 技術(shù)的TDDB物理單元加HALT 測試方法來實現(xiàn)的。

NBTI效應(yīng)的故障預(yù)測

NBTI效應(yīng)主要130納米及以下工藝中。當(dāng)柵源的電壓是負(fù)電壓，PMOS 容易發(fā)生NBTI效應(yīng)。在氧化硅和硅的界面處，負(fù)偏壓和/或溫度容易造成正阱，造成Vt 增加和Id的減少。造成電性的間歇性和失效， 導(dǎo)致芯片可靠性和壽命降低。Ridgetop-Group TDDB 故障預(yù)測單元是利用和主電路在一起的NBTI物理單元來實現(xiàn)的。

對于在半導(dǎo)體中的金屬遷移和輻射等效應(yīng)，它們都在影響半導(dǎo)體壽命，有同樣類似的單元來對金屬遷移和輻射效應(yīng)等進(jìn)行預(yù)測，只是它們針對不同的目的，不同的問題。這些單元與客戶的主電路隔離開，互不干擾，但它們實現(xiàn)了芯片內(nèi)部的自檢測試（BIST），達(dá)到要檢測的目的。對于這些效應(yīng)的預(yù)測，請查閱Ridgetop Group 工作網(wǎng)站。

4 總結(jié)

故障預(yù)測技術(shù)是可以應(yīng)用在半導(dǎo)體設(shè)計中的，隨著最終用戶的要求越來越高，也要求芯片性能越來越高，如果能夠預(yù)測芯片的壽命，使系統(tǒng)維修和芯片的替換變得更容易、更簡單。上述這些半導(dǎo)體效應(yīng)是不能避免的，但是它們是可以預(yù)知的， 因此故障預(yù)測技術(shù)可以應(yīng)用在半導(dǎo)體設(shè)計領(lǐng)域，將故障預(yù)測范圍縮小到芯片級，避免重大惡性事故發(fā)生。

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