常见芯片失效原因—EOS/ESD介绍

Release time：2025-08-20
author：AMEYA360
source：网络
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常见芯片失效原因—EOS/ESD介绍

　　在半导体制造领域，电气过应力(EOS)和静电放电(ESD)是导致芯片失效的两大主要因素，约占现场失效器件总数的50%。它们不仅直接造成器件损坏，还会引发长期性能衰退和可靠性问题，对生产效率与产品质量构成严重威胁。

　　关于ESD

　　ESD(Electrostatic Discharge) 即静电放电，指物体因接触摩擦积累电荷后，与导体接近或接触时发生的瞬间电子转移现象。放电电压可达数千伏，能直接击穿敏感的半导体结构。

　　其产生方式主要包括：人体放电模型(HBM)——人体静电经芯片引脚放电;机器放电模型(MM)——自动化设备累积静电传导至芯片;元件充电模型(CDM)——带电芯片引脚接触接地体时内部电荷释放;电场感应模型(FIM)——外部电场变化引发芯片内部电荷重分布。

　　ESD的危害呈现多重性：一是直接造成晶体管击穿、金属连线断裂等物理损坏;二是引发阈值电压漂移等参数退化，导致性能不稳定;三是形成微观损伤，降低器件长期可靠性;四是导致数据丢失或误操作，威胁系统安全。其隐蔽性和随机性进一步增加了防控难度。

　　关于ESD的防护需采取综合措施：

　　耗散：使用表面电阻为10⁵–10¹¹Ω的防静电台垫、地板等材料;

　　泄放：通过接地导线、防静电手环/服装/鞋实现人员与设备接地;

　　中和：在难以接地的区域采用离子风机中和电荷;

　　屏蔽：利用法拉第笼原理对静电源或产品进行主动/被动屏蔽;

　　增湿：提高环境湿度作为辅助手段;

　　电路设计：在敏感元器件集成防静电电路，但需注意其防护能力存在上限。

　　关于EOS

　　EOS(Electrical Over Stress) 指芯片承受的电压或电流超过其耐受极限，通常由持续数微秒至数秒的过载引发。

　　主要诱因包括：电源电压瞬变(如浪涌、纹波)、测试程序热切换导致的瞬态电流、雷电耦合、电磁干扰(EMI)、接地点反跳(接地不足引发高压)、测试设计缺陷(如上电时序错误)及其他设备脉冲干扰。

　　EOS的失效特征以热损伤为主：过载电流在局部产生高热，导致金属连线大面积熔融、封装体碳化焦糊，甚至金/铜键合线烧毁。即使未造成物理破坏，也可能因热效应诱发材料特性衰退，表现为参数漂移或功能异常。更严重的是，EOS损伤会显著降低芯片的长期可靠性，增加后期故障率。

　　EOS防护的核心是限制能量注入：

　　阻容抑制：串联电阻限制进入芯片的能量;

　　TVS二极管：并联瞬态电压抑制器疏导过压能量，建议搭配电阻使用以分担浪涌冲击;

　　材料防护：采用静电屏蔽包装和抗静电材料;

　　工作环境：使用防脉冲干扰的安全工作台，定期检查无静电材料污染;

　　设计加固：优化芯片耐压结构及布局走线，减少电磁干扰影响。

　　芯片级保护器

　　为应对ESD/EOS威胁，需在电路中增设专用保护器件：

　　ESD保护器：吸收并分散静电放电的高能量，防止瞬时高压脉冲损伤核心芯片，作用类似"防护罩"。

　　EOS保护器：限制过电压幅值，通过疏导能量充当"安全阀"，避免持续过应力导致热积累。

　　不同应用场景对保护器参数要求各异：

　　汽车领域：需耐受-55℃~150℃极端温度、36V高电压及300A浪涌电流，符合AEC-Q101认证;

　　工业与物联网：要求-40℃~85℃工作范围及±15kV ESD防护能力，通过JEDEC标准;

　　消费电子：侧重低结电容(0.1pF~2000pF)和±8kV ESD防护，适应2.5V~30V电压环境。

　　保护器通常置于信号线/电源线与核心IC之间，确保过电压在到达敏感元件前被拦截，显著提升系统鲁棒性。

　　失效分析与防控策略

　　区分ESD与EOS失效是诊断的关键：ESD因纳秒级高压放电，多表现为衬底击穿、多晶硅熔融等点状损伤;而EOS因持续热效应，常引发氧化层/金属层大面积熔融或封装碳化。但短脉冲EOS与ESD损伤形态相似，且ESD可能诱发后续EOS，此时需通过模拟测试复现失效：对芯片施加HBM/MM/CDM模型(ESD)或毫秒级过电应力(EOS)，对比实际失效特征以确定根源。

　　产线改良需针对性施策：

　　加强ESD防护：检查人员接地设备、工作台防静电材料有效性，控制环境湿度;

　　抑制电气干扰：为电源增加过压保护及噪声滤波装置，避免热插拔操作;

　　优化接地设计：杜绝接地点反跳(电流转换引发高压);

　　规范操作流程：严格执行上电时序，隔离外部脉冲干扰源。


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芯片Layout中的Guard Ring是什么？
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芯片Layout中的Guard Ring是什么？

　　在芯片设计中，Guard Ring(保护环) 是一种环绕在敏感电路或器件(如模拟电路、高精度器件、存储器单元、I/O驱动器等)周围的版图结构，形成关键的“隔离带”。它的核心使命是提高电路的可靠性、性能和抗干扰能力，是复杂芯片(尤其是混合信号芯片、高可靠性芯片)成功量产的关键因素之一。　　Guard Ring的物理构成　　Guard Ring并非单一结构，而是由多个精心设计的物理组件协同构成：　　1衬底接触环　　采用高掺杂的P+区域(P型衬底)或N+区域(N型衬底/深N阱)。其核心作用是提供到半导体衬底的低阻连接。它能有效收集衬底中不需要的少数载流子，防止其干扰被保护电路，稳定衬底电位，减少衬底噪声耦合，并为潜在寄生电流提供泄放路径。　　2阱接触环标题　　采用高掺杂的N+区域(N阱)或P+区域(P阱)。它提供到阱的低阻连接点，稳定阱电位并收集阱中产生的少数载流子。在双阱工艺中，N阱接触环本身就能阻挡衬底中的少数载流子(空穴)进入N阱。　　3隔离结构　　通常指浅沟槽隔离或深沟槽隔离。它在物理上分隔保护环内外的区域，阻止表面漏电流路径，增加载流子从外部扩散进入保护区域的难度，是防止闩锁效应的关键物理屏障。　　4连接线　　通过通孔和金属层将衬底接触环和阱接触环连接到指定电位(VSS或VDD)。确保这些连接具有极低的电阻至关重要。　　Guard Ring的核心作用　　Guard Ring通过其物理结构实现多重关键保护功能：　　1防止闩锁效应　　这是Guard Ring最核心的作用。闩锁效应由芯片内部寄生的PNPN结构意外触发引发，可导致大电流、功能失效甚至芯片烧毁。Guard Ring通过提供低阻的阱和衬底接触，有效收集触发闩锁的寄生载流子，在其达到触发浓度前将其泄放。同时，隔离结构增加了载流子横向流动的阻力。它对包含NMOS和PMOS相邻放置的电路(如CMOS反相器、I/O驱动器)的保护尤为关键。　　2抑制衬底噪声耦合　　芯片上不同模块(尤其是数字模块与敏感的模拟/射频模块)工作时产生的噪声会通过公共硅衬底传播。连接到干净VSS的衬底接触环作为一个低阻抗的“汇”，能吸收和分流试图进入保护区域的衬底噪声电流，为被保护电路提供局部的“安静地”，显著降低噪声干扰。　　3阻挡少数载流子注入　　芯片某些区域(如开关状态的NMOS源/漏、反向偏置的PN结)可能向衬底注入少数载流子(电子或空穴)。这些载流子扩散到敏感区域(高阻节点、存储节点、精密基准源)会引发漏电流、电压偏移或数据错误。Guard Ring(尤其是反向偏置的阱接触环，如N阱环接VDD阻挡空穴)能收集这些扩散载流子，阻止其到达敏感区域。　　4提高器件隔离度与可靠性　　在需要高隔离度的应用(如RF电路、混合信号电路)中，Guard Ring有助于减少相邻器件间通过衬底的串扰。通过综合防止闩锁、减少噪声干扰和漏电流，Guard Ring显著提升了被保护电路的长期工作可靠性和稳定性。　　设计与实现考量　　Guard Ring的设计需结合具体工艺和电路需求：　　必要性：为MOS器件提供衬底/阱电位(Bulk端)的Guard Ring是必不可少的。用于隔离噪声或防止Latch-up的Guard Ring则需评估实际需求(是否存在噪声源或对噪声敏感)。　　结构选择：根据保护对象(PMOS/NMOS/DNW器件)选择对应的NWring、PSUBring或DNWring结构。其版图实现需严格遵循特定工艺的设计规则(Design Rule)，例如有源区(AA/OD)与注入层(SP/PP/SN/NP)的包围关系、接触孔(CT/CONT)的尺寸和间距、金属层(M1)的连接等。　　增强防护：有时会采用双层Guard Ring结构，以进一步降低阱/衬底的寄生电阻压降，增强隔离效果，更有效地降低Latch-up风险。　　面积权衡：添加Guard Ring必然增加芯片面积。设计时必须在防护效果和成本(面积)之间进行仔细权衡。　　Guard Ring是芯片版图设计中基础而关键的防护结构。其本质是通过在敏感电路周围精确构建阱接触环、衬底接触环和隔离结构，并将它们连接到合适的电源/地网络，共同形成一个高效的载流子收集阱和噪声隔离带。它从根本上防止了致命的闩锁效应，有效抑制了衬底噪声耦合，并阻挡了有害的少数载流子注入，从而极大提升了芯片的鲁棒性、性能和可靠性。
2025-10-30 14:49 reading：248
全球首款，我国芯片研制获重大突破！
行业新闻

全球首款，我国芯片研制获重大突破！

　　据《科技日报》报道，近日，清华大学电子工程系方璐教授团队在智能光子领域取得重大突破，成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”，标志着我国智能光子技术在高精度成像测量领域迈上新台阶。相关研究成果在线发表于学术期刊《自然》。　　科研团队基于智能光子原理，创新提出可重构计算光学成像架构，将传统物理分光限制转化为光子调制与计算重建过程。通过挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性，团队实现高维光谱调制与高通量解调的协同计算，最终研制出“玉衡”芯片。“玉衡”光谱成像芯片概念图。图片来源：清华大学　　“玉衡”芯片仅约2厘米×2厘米×0.5厘米，却可在400—1000纳米的宽光谱范围内，实现亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像，能在单次快照中同步获取全光谱与全空间信息，其快照光谱成像的分辨能力提升两个数量级，突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈，为高分辨光谱成像开辟了新路径。　　方璐表示，“玉衡”攻克了光谱成像系统的分辨率、效率与集成度难题，可广泛应用于机器智能、机载遥感、天文观测等领域，以天文观测为例，“玉衡”的快照式成像每秒可获取近万颗恒星的完整光谱，有望将银河系千亿颗恒星的光谱巡天周期从数千年缩短至十年以内，凭借微型化设计，它还可搭载于卫星，有望在数年内绘制出人类前所未有的宇宙光谱图景。
2025-10-16 14:25 reading：363
全球首款1.8纳米芯片发布！
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全球首款1.8纳米芯片发布！

　　正在努力扭转艰难处境的老牌芯片厂英特尔，周四(10月9日)展示了即将亮相的新一代先进制程PC芯片，开始向苹果、高通、AMD、台积电等竞品发起反击。　　公司发布的照片显示，今年3月履新的CEO陈立武站在亚利桑那工厂门口，捧着一块代号为Panther Lake的新一代酷睿处理器晶圆。这是首款采用英特尔18A工艺(18埃米，即1.8纳米)的芯片。　　英特尔特别强调，18A工艺也代表着芯片行业两大创新技术的应用：全环绕栅极晶体管以及背面供电网络。与Intel 3相比，18A能够提供15%的频率提升，且晶体管密度提高1.3倍，或者在同等性能水平下降低25%的功耗。　　据悉，新一代芯片与被称为“英特尔CPU能效巅峰之作”的Lunar Lake相比，相同功耗下性能提升50%。而在性能相同时，相较上一代Arrow Lake-H处理器功耗降低30%。　　公司也在周四表示，除了个人电脑外，Panther Lake还将拓展至机器人在内的边缘应用领域。基于18A工艺的至强6+服务器处理器也将于2026年上半年发布。　　英特尔世界首款 1.8nm 要点　　1、世界首款：预览三代酷睿 Ultra(Panther Lake)，首款 18A 制程客户端 SoC;　　2、生产进展：Panther Lake 已投产，按计划推进，有望成热门 PC 平台;　　3、服务器新品：首展至强 6+(Clearwater Forest)，18A 制程，功耗性能大进;　　4、核心制程：Intel 18A 是英特尔最先进半导体节点(1.8nm);　　5、制造保障：亚利桑那 Fab 52 已运营，今年晚些时候 18A 量产，巩固领先。
2025-10-10 15:24 reading：334
芯片的分类以及IC设计的基本概念介绍
行业新闻

芯片的分类以及IC设计的基本概念介绍

　　什么是芯片?　　“芯片”(Chip)是“集成电路”(Integrated Circuit, IC)的俗称，是一种微型化的电子器件。它将大量的晶体管、电阻、电容、电感等电子元器件以及它们之间的连接线路，通过半导体制造工艺(主要是光刻技术)，集成在一块微小的半导体材料(通常是硅，Silicon)基片上，形成一个完整的、具有特定功能的电路系统。　　▌核心材料　　硅(Silicon)。硅是一种半导体材料，其导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过掺杂等方式精确控制其电学特性。　　▌制造过程　　在晶圆(Wafer，即一大片圆形的硅片)上，通过复杂的光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等数百道工序，将电路图形一层一层地“雕刻”上去。　　▌最终形态　　制造完成后，晶圆被切割成一个个独立的小方块，这就是裸芯片(Die)。裸芯片再经过封装(Package)，加上引脚和保护外壳，就成为了我们通常看到的、可以焊接到电路板上的芯片。　　▌简单比喻　　可以把芯片想象成一个“微型城市”。硅片是土地，晶体管是城市里的“开关”或“门卫”，负责处理信息(开/关，1/0);导线是城市的“道路”，连接各个区域;整个集成电路就是这个城市的“规划图”，规定了所有建筑(元器件)和道路(连接)的布局，使其能协同工作。　　芯片的分类　　▌按功能分类　　数字芯片 (Digital IC)：　　特点：处理离散的数字信号(0和1)。逻辑清晰，抗干扰能力强，易于大规模集成。　　代表：　　微处理器 (Microprocessor, MPU，GPU，CPU等)　　计算机、手机等设备的“大脑”，执行指令和处理数据(如Intel CPU, Apple M系列芯片)。　　微控制器 (Microcontroller, MCU)　　集成了处理器、内存、I/O接口等功能的“单片机”，常用于嵌入式系统(如家电、汽车电子)。　　存储器 (Memory)　　用于存储数据和程序。　　逻辑门电路/可编程逻辑器件 (PLD)　　如FPGA(现场可编程门阵列)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)，用户可以自行编程实现特定逻辑功能。　　RAM (随机存取存储器)　　如DRAM(动态RAM，主内存)、SRAM(静态RAM，高速缓存)，断电后数据丢失。　　ROM (只读存储器)　　如Flash(闪存，U盘、SSD、手机存储)、EEPROM，断电后数据不丢失。　　模拟芯片 (Analog IC)：　　放大器 (Amplifier)　　如运算放大器(Op-Amp)，用于放大微弱信号。　　电源管理芯片 (Power Management IC, PMIC)　　负责电压转换(升压/降压)、稳压、充电管理、电源分配等(手机、电脑中常见)。　　数据转换器 (Data Converter)　　如ADC(模数转换器，将模拟信号转为数字信号)、DAC(数模转换器，将数字信号转为模拟信号)。　　射频芯片 (RF IC)　　处理高频无线信号，用于通信(如手机、Wi-Fi、蓝牙模块)。　　特点：处理连续变化的模拟信号(如电压、电流、温度、声音)。设计难度高，对噪声和干扰敏感。　　混合信号芯片 (Mixed-Signal IC)：　　特点：在同一芯片上同时集成了数字电路和模拟电路。现代芯片大多是混合信号芯片。　　代表：很多传感器接口芯片、通信芯片(如基带处理器)、SoC(见下文)。　　▌按集成度分类　　SSI (Small-Scale Integration, 小规模集成电路)　　：集成几十个晶体管(如简单的逻辑门)。　　MSI (Medium-Scale Integration, 中规模集成电路)　　：集成几百个晶体管(如计数器、译码器)。　　LSI (Large-Scale Integration, 大规模集成电路)　　：集成几千到几万个晶体管(如早期的微处理器、存储器)。　　VLSI (Very Large-Scale Integration, 超大规模集成电路)　　：集成几十万到几百万个晶体管(现代大多数芯片都属于此范畴)。　　ULSI (Ultra Large-Scale Integration, 特大规模集成电路)　　：集成上千万甚至数十亿个晶体管(如现代高性能CPU、GPU)。　　▌按应用领域分类　　通用芯片　　设计用于广泛的应用场景，如CPU、GPU、标准存储器。　　专用集成电路 (ASIC - Application-Specific Integrated Circuit)　　为特定应用或客户定制设计的芯片，性能和功耗优化，但开发成本高。　　系统级芯片 (SoC - System on Chip)　　将一个完整系统的大部分甚至全部功能(如CPU、GPU、内存控制器、DSP、I/O接口、射频模块等)集成在单一芯片上。这是现代电子设备(尤其是移动设备)的核心，如手机的主控芯片(如高通骁龙、苹果A系列)。　　IC设计的基本概念　　IC设计是创造芯片的“蓝图”和“规划”的过程，是一个高度复杂、多学科交叉的工程。这里主要介绍数字IC的设计，分为两大阶段：　　▌前端设计 (Front-End Design)　　专注于功能的定义、验证和逻辑实现。　　规格定义 (Specification)　　明确芯片需要实现的功能、性能指标(速度、功耗)、接口标准等。　　架构设计 (Architecture Design)　　设计芯片的整体结构，如采用何种处理器核心、总线结构、存储层次等。　　RTL设计 (Register-Transfer Level Design)：　　使用硬件描述语言(HDL)，如Verilog或VHDL，编写代码来描述芯片的行为和数据在寄存器之间流动的方式。这是前端设计的核心，将功能需求转化为可综合的逻辑描述。　　功能验证 (Functional Verification)：　　通过仿真(Simulation)等手段，确保RTL代码在各种输入条件下都能正确实现预期功能。　　这是设计过程中耗时最长、成本最高的环节之一，目标是“把错都找出来”。　　逻辑综合 (Logic Synthesis)：　　使用EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)工具，将RTL代码自动转换为由标准单元库(如与门、或门、触发器等)构成的门级网表(Netlist)。这个过程会考虑时序、面积和功耗的约束。　　▌后端设计 (Back-End Design)　　专注于物理实现，将逻辑设计转化为可以在晶圆上制造的物理版图。　　物理实现 (Physical Implementation)：　　布局 (Placement)　　将门级网表中的所有标准单元在芯片版图上进行物理摆放。　　布线 (Routing)　　根据网表连接关系，在布局好的单元之间铺设金属导线。　　静态时序分析 (Static Timing Analysis, STA)　　在不进行仿真的情况下，分析电路中所有可能的时序路径，确保信号能在时钟周期内稳定传输，满足建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time)的要求。　　物理验证 (Physical Verification)：　　设计规则检查 (Design Rule Check, DRC)　　确保版图符合晶圆厂的制造工艺规则(如最小线宽、最小间距)。　　版图与电路图一致性检查 (Layout vs. Schematic, LVS)　　确保最终的物理版图与原始的门级网表在电气连接上完全一致。　　电气规则检查 (Electrical Rule Check, ERC)　　检查版图中的电气连接是否正确(如避免悬空引脚)。　　寄生参数提取 (Parasitic Extraction)　　提取布线产生的寄生电阻、电容等参数，用于更精确的时序和功耗分析。　　最终交付　　生成符合晶圆厂要求的GDSII或OASIS格式的版图文件，交付给晶圆厂进行制造。
2025-10-10 09:59 reading：392
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