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半导体器件也会和人一样?也会从婴儿长到暮年?

时间:2021-08-24 作者:Sangdeok Kin Ph.D. 阅读:
半导体器件生命周期竟然和人类生命如此相像,究竟半导体那个阶段阶段出问题概率最大? 那可靠性和良率又究竟是怎么回事?一文带你理清整个概念。
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  什么是生命周期

人类作为生物拥有与生俱来的生命周期:出生、长大、传宗接代和养育下一代,最后回归尘土,这一亘古不变的轮回,我们可以简单概括为--婴幼儿期、青中年和老年期。

人类生命不同周期(图文无关)

那么对于半导体而言,也存在着生命周期一说;半导体器件会随着时间的推移而老化,有着和我们人类一样的“寿命”。时间(寿命)是现实世界中一种可靠的衡量尺度,我们定义可靠性就是为了描述半导体元器件中某个部件、材料、产品或者整个系统在特定条件下,能够保持质量稳定并且正常工作的可能性。说到这个可能性,也许会有很多人费解,在此EE Times小编来和大家解读下,质量和可靠性的概念异同。

质量和可靠性概念异同

质量:一般来说,质量就代表着良率用yield或者DPPM来衡量,在量产中,每次都会批量制造成百上千个元件,这些元件中或多或少会存在着某些不符合要求的个体,所以这时候良率就是筛选后的良品除以总量(一般为~99%),而DPPM则可以更加细分,对于某些单一要求不符合的元件可以用每百万颗中有多少颗需要被剔除。

可靠性:通常来讲,可靠性是用来描述元件在各种条件下可靠稳定正常工作的一种概率,有“FIT(Failures In Time)”、“MTBF(Mean Time Between Failures)”来综合考量,是一种基于时间来计算的估算概率方法。可靠性的起源最早可以追溯到1942年第二次世界大战期间,军事装备经常出现缺陷问题,工程师和科学家们为了评估器件,引入了“时间”概念。

可靠性中最经典的“浴盆曲线”

人类的生命周期

那么对于人类来讲,正如上述所提到的人类的三个阶段:婴幼儿时期,青中年时期和老年期。在第一时期,人类的体力和免疫力相对最弱,很容易发生疾病伤痛等问题,所以自然环境下死亡率很高。十月怀胎十分艰辛,所以人们都在尽其所能为新生儿提供独立的洁净室和保护,来提升婴幼儿长大的存活率。

在后期青中年时期,人类身体更加健康,自身免疫力大大加强,身体素质达到巅峰,但是也会有着各种意外事故的发生。据韩国统计局显示,年轻人和中年人的死亡原因中,交通事故、溺水、意外跌落和酒后意外高居不下。

人的一生就是一个循环

到了老年阶段,身体器官和精力大幅度减弱,疾病和器官老化带来的伤病概率陡升,目前韩国65岁老人死亡原因,排名第一的癌症,其次是心脏病和心脑血管病等。而对于癌症的研究也表明生活习惯和饮食水资源是很重要的诱因,当然家庭遗传和癌变概率也是主因之一。

半导体生命周期

同样的对于半导体器件,也有着类似于人类的生命周期阶段,最典型的用浴盆曲线来描述,可分为“早期失效”,“随机失效”和“老化失效”,与之对应的是人类的婴幼儿、青中年和老年时期。如下图中红色去年代表“统计观察的半导体元件故障概率”,在每个不同的阶段都有着不同的故障概率,并且其失效原因和表现模式也有着明显区别。

半导体器件失效性“浴盆曲线”

首先早期的失效在一开始概率很高,随着工作时间的延长,其失效的概率越来越低,这个阶段被称为“早期失效”或者“夭折”。由于电子元件的特殊性,在制造过程中引入的缺陷很可能一开始就会发生故障,工程师通常会定义起初的几个月甚至是一年时间作为“早期”,但是在工程上又等不了器件工作那么久,就只能通过限制工作条件和人为制造一些条件来加速这个过程,更早的筛选出设计或者初始的制造缺陷。

老化试验测试的失效概率

当器件渡过了“早期失效”阶段后,就来到了中期“随机失效”阶段,但是其失效概率却是最低的,并且不随着时间而升高或者降低,因为这个阶段的失效是随机产生,和时间无太大关系。在用户使用阶段中,各种ESD(静电放电)、EOS(过电压应力)带来的缺陷和失效。

最终,“老化失效”阶段指的是随着产品使用时间的加长,产品在长时间工作后内部器件会产生较大磨损,这个阶段会有很多故障来自于磨损所导致的功能失效。其芯片内部各种的材料老化和结构损伤都会引起不同类型的功能性失效,当然这种“失效”可能会在十几年后甚至几十年后发生,但是随着时间延长失效概率上升是个不争的事实。在制造和测试端,往往都需要采用极端测试条件和延长评估时间等方法来尽可能的对可靠性进行测试。

质量的梦想----提升产品可靠性

从2000年到2019年,全体人类的寿命提升了大约6年,随着科学技术的进步,半导体元件的可靠性也大幅度提升。目前在DRAM(由一个晶体管和一个电容器组成一个基本存储单位),一个16gb的DRAM芯片(一层die)拥有大约160亿个单元,然而在这160亿中有1个单元有缺陷,整个芯片也会被归类为有缺陷的产品。为了解决这个问题,新一代的DRAM改进了ECC纠错程序,能够改进1-bit错位的DRAM本身,新的DDR5改进了在DDR4中无法弥补的先天缺陷,通过这种技术,使用SK hynix生产的DDR5芯片可以比DDR4提升20倍以上。

所以随着5G、自动驾驶、人工智能和医疗等信息和通信技术的迅猛发展,新的可靠性、良率、高宽带和低功耗的要求有会带来更多的机遇和挑战,全新一代的DRAM将会迎来新的次时代,而SK hynix也将携手DDR5迈向更高更远的未来。

DDR5新的ECC纠错程度对于可靠性有大幅度改进提升

责编:我的果果超可爱

编译自:The Lifetime of a Human and Semiconductor  --EE times

参考资料

JEDEC, JESD74D, “Early life failure rate calculation procedure for semiconductor components”, 2007 Feb

[2] Statistics Korea, “Cause of Death Statistics in 2019”, 2020 Sep

[3] JEDEC, JEP122H, “Failure mechanisms and models for semiconductor devices”, 2016 Sep

[4] WHO, Leading causes of death and disability 2000-2019: A visual summary, https://www.who.int/data/stories/leading-causes-of-death-and-disability-2000-2019-a-visual-summary

[5] SK hynix newsroom, “SK hynix Launches World’s First DDR5 DRAM”, Press Center, 2020 Oct, https://news.skhynix.com/sk-hynix-launches-worlds-first-ddr5-dram/

  • 半导体器件正处于暮年。
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