浅谈常见芯片失效原因

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10?–10??Ω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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