隨著汽車智能化應(yīng)用越來越廣泛，芯片已經(jīng)成為汽車上各功能模塊不可或缺的一部分。分析表明，微控制單元芯片是車載芯片種類中一個重要的組成部分，不僅可以用于車上的核心行車電腦中，也可以用于車上娛樂系統(tǒng)?；诟櫫?2014 年起至今多顆車規(guī)級微控制單元芯片的上車后的失效反饋，對其進行了失效機理歸類及失效率分析。

　　中圖分類號：TN402；TN406   文章編號：1674-2583(2019)09-0007-02

　　DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.09.003

　　中文引用格式：陸涵蔚，朱黎敏，陳贊棟.車規(guī)級微控制單元芯片上車使用后的失效機理及失效率分析[J].集成電路應(yīng)用, 2019, 36(09): 7-8.

　　Aanalysis of Failure Mechanism and Failure Rate of Vehicle Level MCU after Using in Vehicles

　　LU Hanwei, ZHU Limin, CHEN Zandong

　　Abstract — As the growing numbers of vehicles' intelligent application, IC chips are playing important role on every vehicle's function module. MCU is one of important IC chips applicated on Vehicle. MCU can not only be used in ECU but also be used in infotainment on vehicles. The failure mechanism and Failure Rateof have been analyzed since 2014.

　　Index Terms — IC design, MCU, vehicle level IC chip, failure rate.

　　1  引言

　　微控制單元芯片在消費級工業(yè)級和汽車級的應(yīng)用都非常廣泛。在汽車上，微控制單元芯片應(yīng)用在車身控制，儀表顯示，影音娛樂，底盤安全，動力總成各個部分。由于汽車內(nèi)外嚴苛的使用環(huán)境，車用芯片對可靠性的要求非常高。

　　本文以 0.35 μm EEPROM 工藝平臺已通過車規(guī)級可靠性驗證的芯片作為對象，分析了幾款芯片在上車使用后的失效情況。

　　2  失效機理

　　一般半導(dǎo)體芯片使用后的失效機理可分為以下幾類。

　?。?）半導(dǎo)體本體失效主要指片中的半導(dǎo)體材料缺陷。

　?。?）介質(zhì)層相關(guān)失效，主要指柵氧，隧道氧化膜，后道金屬間介質(zhì)膜以及鈍化膜層缺陷。

　?。?）半導(dǎo)體-介質(zhì)層界面失效，主要指硅襯底和 SiO2 界面間的缺陷。

　?。?）互聯(lián)和金屬化層失效，對于鋁后道工藝，這類失效主要有兩個根本原因：① 由于金屬電遷移造成的空洞引起芯片失效。② 由于含鹵素或鹵化物的小環(huán)境導(dǎo)致金屬腐蝕。

　?。?）封裝失效，主要是封裝過程中產(chǎn)生的裂縫導(dǎo)致失效。

　　從 2014 年以來對多顆使用 0.35 μm EEPROM 平臺生產(chǎn)的車規(guī)級微控制單元芯片上車使用后的反饋進行分析，上車使用后的失效模式，具體有以下幾種。

　?。?）半導(dǎo)體本體失效,在此工藝平臺上看到的半導(dǎo)體材料缺陷主要集中在襯底缺陷，如圖 1 所示。由表 1 可見，襯底缺陷在上車后幾千公里到上萬公里后都會引發(fā)芯片失效。在換用缺陷管控更嚴格的襯底后基本可以杜絕此類失效。

　?。?）介質(zhì)層相關(guān)失效，介質(zhì)層相關(guān)失效是車載芯片上車使用后失效的另一主要模式，如圖 2 所示。導(dǎo)致此類失效的原因有多種，主要改善方法有工藝步驟更嚴格的顆粒管控以及使用性能更好的工藝機臺。由表 2 可見介質(zhì)層相關(guān)引發(fā)的上車失效都發(fā)生在 5 000 km 以上。

　?。?）半導(dǎo)體-介質(zhì)層界面失效,這類失效在 0.35 μm EEPROM 工藝平臺上主要表現(xiàn)為襯底硅界面和柵氧之間的缺陷，如圖 3 所示。改善此類缺陷的方法在于對柵氧成長前清洗，柵氧成長以及柵氧成長后未覆蓋時的各步驟做更加嚴格的顆粒管控。表 3 是半導(dǎo)體-介質(zhì)層界面失效導(dǎo)致上車使用失效情況匯總。

　　（4）互聯(lián)和金屬化層失效，這類失效在 0.35 μm EEPROM 工藝平臺上主要表現(xiàn)為鎢塞的火山缺陷，如圖 4 所示，這類缺陷主要是由于鎢塞下阻擋層金屬厚度與鎢塞工藝匹配不夠好導(dǎo)致，優(yōu)化阻擋層金屬和鎢塞工藝可改善此類缺陷。表 4 是互聯(lián)和金屬化層失效導(dǎo)致上車使用失效情況匯總。

　　3  失效率分析

　　我們以可靠性壽命的計算方法[1-3]，通過失效反饋芯片的行駛里程和失效反饋個數(shù)，評估 0.35 μm EEPROM 平臺車規(guī)芯片的失效率。可靠性壽命 FIT（failure in time）定義為每 1×109 h 失效率。一般集成電路的可靠性壽命定義在 0.1～10 FIT 之間。

　　自 2014 年以來統(tǒng)計上車使用共 8 顆失效，以每年　20 000 km 的行駛里程以及 40 km/h 的時速計算初步 FIT 值為 0.38，查表可知 8 顆失效所對應(yīng) 90% 置信區(qū)間值并可得最終可靠性壽命為 0.63 FIT。此數(shù)值在正常集成電路可靠性壽命區(qū)間內(nèi)。

　　4  結(jié)語

　　本文分析了 2014 年以來 0.3 μm EEPROM 工藝平臺上車規(guī)芯片上車使用后的失效情況及機理。

　　從失效情況來看，半導(dǎo)體制造缺陷即可能發(fā)生在車規(guī)芯片上車行駛 5 000 km 左右，也可能發(fā)生在行駛 30 000 km 以上。從機理分析來看失效多發(fā)生在介質(zhì)層以及半導(dǎo)體-介質(zhì)層界面，通過更嚴格的工藝管控和工藝改善可以進一步降低車規(guī)芯片上車使用后的失效并進一步提高可靠性壽命。