失效机制
芯片失效模式和失效机理
芯片失效模式和失效机理
芯片失效模式是指芯片在长时间使用或特殊环境下所发生的失效现象。
失效机理是指导致芯片失效的原因和机制。
常见的芯片失效模式包括硬件失效、软件失效、电磁干扰导致的失效、温度、电压或湿度变化引起的失效、机械应力或震动引起的失效等。
芯片失效的机理很多，主要包括以下几种：
1. 电荷积累效应：在微小的结构中，由于空间电荷效应，会引起电荷分布不均，导致芯片性能下降或直接损坏。
2. 热效应：芯片在高温下工作会导致材料热膨胀、介电常数变化、材料变形等问题，最终导致芯片失效。
3. 湿度效应：芯片对湿度和水分非常敏感，湿度过高或水分进入芯片内部会引起氧化、腐蚀等现象，导致芯片性能下降或直接损坏。
4. 机械应力：芯片在运输或使用过程中受到机械应力，如压力、弯曲、震动等，会导致芯片损坏。
5. 光辐射效应：芯片受到辐射会产生电荷，最终导致芯片性能下降或直接损坏。
以上是常见的芯片失效机理，需要在设计和制造过程中进行考虑，以确保芯片的稳定性和可靠性。
第08章集成电路失效机制及版图设计技巧
学习指导
学习目标与要求
失效机制及版图设计技巧
1．了解集成电路工作实效机制及其实效原理 2．了解集成电路版图设计相关方法、流程及设计技巧 3. 掌握集成电路工作实效定义、内涵及实质，掌握集成电路不同工作实效机制的特点
4．掌握集成电路不同工作实效机制的特性、采用不同集成电路版图设计的方法及设计技巧 学习重点 1．集成电路工作实效定义、内涵及实质，掌握集成电路不同工作实效机制的特点 2．集成电路不同工作实效机制的特性、采用不同集成电路版图设计的方法及设计技巧 学习难点 1．集成电路工作实效机制及其实效原理 2．不同集成电路版图设计的方法及设计技巧
H b a f
7) contact 设计规则
c d
N+
E
符号
尺寸 .6*.6
含
义
定义为金属1与扩散 区、多晶1、多晶2 的所有连接！
10.a
接触孔最小面积
10.a.1 .6*1.6 N+/P+ butting contact面积 10.b 0.7 接触孔间距
一、 设计规则
1. 基本定义(Definition)
Extension Width Space Space Overlap Enclosure 1.请记住这些名称的定义 2.后面所介绍的 layout rules 必须熟记， 在画layout 时须遵守这些规则。
2. 0.6µm DPDM CMOS 工艺版图设计规则
防护措施：通过在所有隔离区内设置基区抑制 NMOS 沟道的形成；CMOS 工艺使用沟 道终止来提高厚场阈值；设置场板可提供防止寄生沟道形成和电荷分散效应的全面保护。
四、 寄生效应
寄生效应包括衬底去偏置、少子注入和衬底效应。 1、 热载流子注入
服役过程中的失效机制
服役过程中的失效机制
服役过程中可能出现的失效机制有以下几种：
1. 机械失效：服役设备由于磨损、断裂、松动等原因，导致机械部件无法正常运转或失去功能。
2. 电气失效：服役设备的电子元件、线路或供电系统出现故障，导致电气功能无法正常工作或失效。
3. 热失效：服役设备长期运转或超负荷运行导致过热，引发热失效，使设备性能下降或失效。
4. 化学腐蚀失效：服役设备与外界环境中的化学物质发生反应，导致金属腐蚀、氧化或化学变化引发失效。
5. 疲劳失效：服役设备由于长期受到重复加载、振动或应力作用，导致材料疲劳破坏而失效。
6. 过载失效：服役设备受到超过设计负载的过大力或应力作用，引起部件破坏或机构失衡而失效。
7. 正常磨损失效：服役设备长时间使用使得摩擦零件磨损，导致性能下降或失效。
8. 部件老化失效：服役设备长期使用或过期到了使用寿命，导致部件老化失效。
以上是一些常见的服役过程中可能出现的失效机制，不同的设备类型和环境条件会导致不同的失效机制。
为了提高设备的可靠性和安全性，需要定期进行维护保养、故障排除和替换老化部件等措施。
cout失效机制
cout失效机制
- 缓冲区满：如果输出数据的速度超过了 cout 缓冲区的处理能力，则数据可能会被丢失或损坏。
在这种情况下，可以尝试增加缓冲区大小或者使用其他输出方法，例如文件输出。
- 错误的数据类型：cout 只能输出特定类型的数据，例如整数、浮点数、字符串等。
如果试图输出不正确的数据类型，例如将整数赋值给字符变量，则可能会导致错误或失效。
- 冲突的输出：如果在程序中同时使用多个 cout 对象或者其他输出流对象，可能会导致冲突或失效。
在这种情况下，需要确保只使用一个 cout 对象并且在其他输出流对象之前使用 flush 函数来刷新缓冲区。
- 错误的编译选项：有时候，编译器的选项设置可能会影响 cout 的行为。
例如，关闭编译器的优化选项可能会导致 cout 失效。
在这种情况下，需要检查编译器的选项设置并根据需要进行调整。
总之，cout 失效的原因可能是多种多样的，需要根据具体情况进行分析和解决。
如果遇到 cout 失效的问题，可以尝试使用调试工具来查找问题的根源并进行修复。
Session 过期失效机制
Session 过期失效机制
目的
为用户session设定失效时间，在有效时间内session有效；超过时限，服务器自动清除session。
从而时间session的过期失效机制
实现
Session回收是以一个单独的进程运行的，与邮件网关的运行不耦合。
回收程序定时扫描session的存储文件，比较文件的LastModified时间和当前时间，如果超出阈值就删除。
为了避免单个文件夹下存储大量session导致的性能下降，根据sessionid的值进行散列，分别放入00~~31这些32个子文件夹中。
散列算法是利用sessionid先算出crc32值，再将crc32值对32 取模，模数即为子文件的名称。
回收程序可以运行多个线程对32个文件夹同时扫描。
Session回收程序有两个参数：第一个参数设定超时时间，第二个参数设定扫描线程数。
涉及的类如下：
NASExpireThread：session回收程序
Crc32Encoding：计算crc32的工具类
HashPathHelper4Session：计算session存储的具体路径的工具类
使用
运行sessionExpire.sh文件。
默认超时时间为30分钟，默认扫描线程为4个。
参数可以通过修改.sh文件进行设定。
注意：sessionExpire.sh该文件放在邮件网关应用的根目录下。
机械结构的失效机制与寿命预测
机械结构的失效机制与寿命预测引言机械结构作为工程领域中不可或缺的一部分，承担着重要的功能和责任。
然而，由于各种因素的不可避免影响，机械结构会存在失效的风险。
了解机械结构的失效机制，以及进行寿命预测，对于提高机械结构的可靠性和安全性具有重要意义。
本文将讨论机械结构的失效机制以及寿命预测的相关问题。
I.机械结构的失效机制1. 力学载荷引起的失效机械结构在运行过程中会承受各种力学载荷，如静载、动载和冲击载荷等。
这些载荷有可能超出材料的极限强度，导致结构的破坏。
例如，大型机械设备中的轴承在重载和高速旋转下可能发生疲劳断裂，这是由于反复的载荷引起的微小裂纹逐渐扩展导致的。
2. 材料老化引起的失效机械结构的材料在长时间使用后会发生老化现象，导致材料性能的逐渐下降。
例如，金属材料中的晶粒长大、变形和组织相变等现象会引起材料塑性和强度的降低，从而导致结构失效。
3. 环境腐蚀引起的失效某些机械结构在恶劣的环境中长时间暴露，如潮湿、腐蚀性气体和高温等条件下，会引起结构材料的腐蚀破坏。
例如，金属材料在高温高湿环境中易发生腐蚀、氧化和质量损失，导致强度和刚度降低，最终引起结构失效。
II.机械结构寿命预测方法1. 经验寿命预测法经验寿命预测法是根据历史数据和经验公式来进行寿命预测的方法。
通过分析实际运行中的失效案例，总结出一些经验规律和模型，用于预测类似结构在相似工作条件下的寿命。
例如，基于疲劳断裂的寿命预测方法是根据疲劳断裂的累积损伤理论，通过实验数据拟合出相应的寿命预测公式。
2. 数值模拟寿命预测法数值模拟寿命预测法是利用计算机仿真技术对机械结构的失效行为进行模拟和预测的方法。
通过建立机械结构的数学模型，采用有限元分析等数值方法来模拟结构在不同载荷条件下的应力分布和变形情况，进而预测结构的失效位置和寿命。
这种方法可以有效地预测结构的失效模式和寿命，有助于优化设计和提高结构的可靠性。
3. 健康监测寿命预测法健康监测寿命预测法通过实时监测机械结构的工作状态和健康指标，利用传感器和信号处理技术来获取结构的关键参数和失效特征。
失效机制
• 3，在过长的nwell上，每隔一段距离就添加与source的电 位连接，原则是器件任何部分到衬底接触距离不大于 20um； • 4，Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降 低Rwell和Rsub的阻值； • 5，使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,在pmos 和 nmos之间保持足够的距离； • 6，凡接I/O的内部的mos，都单独做guard ring； • 7，I/O处尽量不使用pmos(nwell)。
• 条件允许时，还可以把大块poly拆成多个，用金属连接起 来。 • 最后，还可以通过插入缓冲器，切断长线来消除天线效应。
Latch-Up
• Latch-Up
• 标准CMOS工艺的器件结构隐含着一个PNPN闩锁夹层，寄 生了一个水平NPN晶体管和一个垂直PNP晶体管。寄生水 平NPN管的发射极、基极和集电极分别是NMOS的源极、P 型衬底和N阱，而寄生垂直PNP管的发射极、基极和集电 极分别是PMOS的源极、N阱和P型衬底。
• 在正常条件下，所有的PN结都处于反偏状态，因此两个寄 生双极型晶体管都不导通，对电路正常工作没有影响。但 在一定条件下，两个寄生的双极性晶体管相互影响而产生 低阻抗通路, 它的存在会使VDD和GND之间产生大电流，导 致电路无法正常工作，这种现象被称之为Latch-Up。Latch up 产生的过度电流量可能会使芯片产生永久性的破坏, Latch up 的防范是IC Layout 的最重要措施之一。
• 防护措施 • 在版图设计中，防止Latch-Up的思路是，减小Rwell和Rsub 的阻值，或减小两个晶体管的电流放大倍数。 • 因此，常用的防止Latch-Up效应的方法有： • 1，在重掺杂的基体上增加一个轻掺杂的layer，阻止侧面 电流从垂直BJT到低阻基体上形成通路（通常可以查阅PDK 找到相关信息）； • 2，使用Guard ring: P+ ring环绕nmos并接GND；N+ ring环绕 pmos 并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另 一方面可阻止载流子到达BJT的基极。如果可能，可再增 加两圈ring；
复合材料高周底周失效机理区别
复合材料高周底周失效机理区别复合材料是由两种或更多种具有不同性质的材料组成的材料，通过它们的组合可以实现优化的机械性能和材料性能。
高周疲劳和低周疲劳是复合材料常见的失效机理，两种机制在失效过程和失效行为上存在一些区别。
1.高周疲劳失效机制：高周疲劳是指循环应力波动频率在千兆赫兹以上的应力加载下导致的材料失效。
这种失效机制是由于复合材料中的纤维和基体之间的界面滑移或断裂引起的。
在循环应力下，纤维和基体之间的界面会受到应力的集中作用，导致界面滑移和断裂。
高周疲劳失效主要包括以下几个步骤：(1)界面接触应力引起的界面屈服；(2)界面滑移的出现和扩展；(3)界面的断裂和裂纹扩展。
2.低周疲劳失效机制：低周疲劳是指循环应力波动频率在千赫兹以下的应力加载下导致的材料失效。
这种失效机制主要是由于循环应力下的断裂和裂纹扩展引起的。
低周疲劳失效主要包括以下几个步骤：(1)缺陷生成和裂纹的扩展；(2)裂纹的扩展导致应力集中；(3)应力集中导致材料的局部破坏；(4)局部破坏导致裂纹的进一步扩展。
在高周疲劳和低周疲劳失效机制中，存在以下一些区别：1.应力水平：高周疲劳是在较高的循环应力下发生的，应力加载频率高，循环次数大；而低周疲劳是在较低的循环应力下发生的，应力加载频率低，循环次数相对较少。
2.失效过程：高周疲劳主要是由于纤维和基体之间的界面滑移或断裂引起的，而低周疲劳主要是由于裂纹的生成和扩展导致的。
3.失效行为：高周疲劳失效通常是由于界面的滑移和断裂导致的，界面滑移会导致材料的强度和刚度下降；低周疲劳失效通常是由于裂纹的扩展导致的，裂纹扩展会导致材料的局部破坏和断裂。
4.预测和评估：高周疲劳往往可以通过强度预测模型和材料的疲劳寿命来进行预测和评估；而低周疲劳往往需要考虑裂纹扩展行为和应力强度因子等因素，通过断裂力学模型来进行预测和评估。
总的来说，高周疲劳和低周疲劳是复合材料常见的失效机理，虽然两种机制在失效过程和失效行为上存在一些区别，但是它们都与循环应力下的界面滑移、断裂和裂纹扩展等相关。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
可靠性：固有可靠性、应用可靠性
• 固有可靠性：器件制造完成时所具有的可
靠性，取决于器件的设计、工艺和原材料 性能。（成品率） • 应用可靠性：器件用于整机系统时所具有 的可靠性，不仅与器件的固有可靠性有关， 而且与器件从制造出厂至失效所经历的工 作与非工作条件有关。（失效率）
• 微电子器件总要处于一定的应用环境、工 • • • •
• 以电源端正触发电压引发闩锁为
•
例： VDD端有一强的外来正触发电压， 则将产生IG流过RW，在Q1管发射 结产生正向压降，大于0.6V时， Q1管导通，集电极电流IC1经过串 联电阻RS流进VSS，在RS上产生的 压降如超过Q2管发射结正向导通 压降，Q2管则导通，Q2管集电 极开始有电流通过，将加大流过 RW的电流，导致Q1管基极电位 下降，使Q1集电极电流继续增加， 形成正反馈。 由此可见，只要满足IC1>IB2，即 可形成正反馈回路，一旦正反馈 回路形成，不论原来的触发信号 存在与否，寄生晶体管均会保持 导通，CMOS反相器处于闩锁状 态。
2、过电流热致失效(多发生于双极 器件)
• 静电放电形成的短时大电流，放电脉冲的时间常
数远小于器件散热的时间常数。因此，静电放电 电流通过面积很小的PN结或肖特基体时，将产生 很大的瞬时功率密度，形成局部过热，可能会使 局部或多处熔化导致PN结短路，器件彻底失效。 （取决于静电放电的电流幅度、脉冲宽度和作用面 积） （反偏时，大部分功率消耗在结区中心；正偏时， 多消耗在结区处的体电阻上）
氧化硅绝缘膜、铝互连线、金属引线框架、塑料 封装外壳等材料的热膨胀系数各不相同，一旦遇 到温度变化，就会在不同材料的交界面间产生压 缩或拉伸应力，即热不匹配应力，通常称为热应 力。 ①材料热性质不匹配是产生这种热应力的内因 ②温度变化是产生热应力的外因
热应力失效
1、破坏性失效（热应力过大，导致器件开裂） 2、热疲劳失效 热应力的反复作用导致界面处材料的“疲劳” 和界面结合的损伤，使器件特性劣化，最终造 成器件失效，即所谓热疲劳失效。 3、铝金属化层的再结构 由金属层Al与SiO2或Si之间的热应力，导致铝金 属化层的再结构。通常表现为：Al膜表面粗糙， 发黑起皱，出现小丘、晶须、空洞。
热阻：微电热能力越差，定义为两点间温差与热流之比。）
RT=t/KA
（t：材料厚度。A:芯片横截面积。K：材料热导率）
Pc=（Tj-Ta）/RT
(热阻：单位功耗下材料的温升，结温Tj，环境温度Ta)
Pcm=（Tjm-Ta）/RT
•
(Tjm为最高允许结温，可得器件最大允许耗散功率) 芯片到周围空气的热阻RTja可分为结到外壳的热阻RTjc和外壳 到空气的热阻RTca 内热阻：器件自身固有的热阻。 外热阻：与管壳封装形式有关（面积越大，外热阻越小，金 属管壳外热阻低于塑料管壳） （如同时存在几种散热途径，则热阻并联。）
金属N+P结发生一次雪崩击穿 （电子→D，空穴→SUB） Isub电流流过RSUB ID Vsub=ISUB*RSUB>源-衬PN 结正向导通压降。 源区向衬底注入电子， 漂移到漏结区受到电场吸引， 加速进入雪崩倍增区，正反 馈循环，可使寄生晶体管 （源衬漏）C-E击穿，如 BVceo（寄生晶体管C-E击穿 电压）小于BVDB(漏结雪崩击 穿电压)则形成二次击穿。
B. 双极晶体管：
（1）电流集中型二次击穿(热不稳定性理论) • 该理论认为，二次击穿与过热点有关。发射极电流 集中，原材料的不均匀，多发射极晶体管电流在各 小单元发射区分配不均匀，热阻过大，局部的热起 伏，这些是形成过热点，产生热斑的主要原因。正 偏工作时出现的二次击穿一般属于此类型。
• 局部T增加→I增加→耗散功率增加→局部T增加,这
b. MOS器件电参数的温度特性 1、阈值电压VT（n沟道：T↑,VT↓； p沟道：T↑,VT↑） 2、跨导gm 非饱和区：T↑,gm↓ 饱和区：p沟：T↑，gm↓ n沟：VGS<VGS0 T↑，gm↑ VGS>VGS0 T↑，gm↓ (VGS0：零温度系数处的栅压)
热不匹配效应
• 微电子器件是由各种不同的材料所构成：硅芯片、
4、金-铝键合失效 Au-Al键合系统，经高温储存或长期使用后，它们 之间会产生一系列金属间化合物，一般AuAl2最为 常见，因呈紫色，故称“紫斑”，是键合工艺中 最常见的失效模式。经历热应力作用后，Au-Al金 属化合物，极易在界面处发生裂缝，键合结构变 脆，接触电阻增大，时通时断，并且因Au在Al中 扩散速度很快，在高温下，Au向Al扩散，由于Au 的大量移出，在界面造成小空洞，可能发生“柯 肯德尔效应（krikendell）”，导致键合点脱开， 开路失效。
化学效应 （使用环境的特殊性：高温潮湿，酸盐雾） ①器件的外引线和管壳直接被腐蚀。 ②由于管壳的密封性缺陷或封装材料本身的 吸潮性，水汽可能渗入管壳内部，使芯片 表面的铝金属化布线被腐蚀或芯片电性能 劣化。
①微电子器件外引线的腐蚀
功率晶体管和高反压器件的主要失效模式，一般是 不可逆的（区别于一次击穿）。
• 二次击穿：由高压小电流跃
IC D C 一次击穿 二次击穿 A(I SB ,V SB ) B VCE
•
•
•
入低压大电流状态的现象。 由一次击穿进入二次击穿， 器件内部需积累和消耗一定 的能量，这个能量称为二次 击穿触发能ESB（或称二次击 穿耐量）。 其中PSB=ISBVSB(二次击穿触 发功率) ESB=PSBtsd（二次击穿耐量）
二次击穿机理：
A. MOS管
MOS器件的工作电流具有负温度系数，它不 存在热电正反馈效应，不会出现因热不稳定 而导致的二次击穿现象。故一般常规MOS管 很少出现二次击穿现象。短沟道MOS场效应 管，有时可观察到二次击穿电流-电压特性 曲线。是由衬底串联电阻产生的寄生晶体管 效应所致。
D SiO 2 n+ p (M*-1)IS I sub R sub MI D0 IS n+
• 发生闩锁效应时的CMOS电
路电流-电压特性曲线： • VBKDN触发电压；ISUS，VSUS 分别称为维持电流和维持 电压。 • IH，VH为保持电流，保持电 压 （发生闩锁效应特征：电源 端出现浪涌电压，之后电 流持续增大，电压逐渐减 小）
CMOS电路闩锁效应：由于其 内部存在寄生双极晶体管 纵向PNP的基极，与横向 NPN的集电极同为P阱；横 向NPN的基极与纵向PNP的 集电极同为N型衬底 • 闩锁效应发生机制： 正常工作状态，Q1、Q2发 射结均零偏，即处于截止 状态，即寄生晶体管处于 阻断状态，如果CMOS电路 的输入端，输出端，电源 端，甚至地端出现了正的 或负的浪涌电压或电流， 可能使两只寄生闸流管正 向导通，相当于寄生闸流 管因受触发而开通，CMOS 电路进入闩锁状态。
作环境和非工作环境，不可避免的受到各 种应用的作用。 电应力：静电效应、二次击穿效应、闩锁 效应 温度应力：热效应 气候应力：化学效应 辐射应力：辐射效应
静电效应
• 静电来源：对于微电子器件，人体是最重
要的静电源。
失效机理
1、过电压场致失效：多发生于MOS器件 器件与地不接触时 • MOS器件，栅电极因接触了高静电放电电 荷，呈现高电压，可能使栅氧化层电场超 过击穿临界电场。栅氧化层发生介质击穿 而使MOSFET的栅-源或栅-漏之间短路。
闩锁效应
• CMOS集成电路：静态功耗低，噪声容限
大，抗辐射能力强和工作速度高等突出 特点，而得到广泛的应用。 • 闩锁失效是CMOS电路存在的独特的失效 方式。
CMOS反相器，电路如图所示 • 未输入信号时，NMOS和PMOS 均截止，VDD到VSS之间无电流 流过，故静态功耗几乎为零。 • 但如器件引出端（Vin，VO， VDD，VSS）受到外来的电压或 电流信号的触发，VDD与VSS之 间会出现很大的导通电流。该 电流一旦开始流动，即使除去 外来触发信号也不会中断。只 有关断电源或将电源电压降到 某个值以下，才能解除这个电 流，这个现象就是CMOS电路 的闩锁效应。 （闩锁效应下产生的电流，为 电源正负端短路产生，如此大 电流会烧毁器件）
热效应
• 微电子器件应用时受到的热应力来自器件
内部或器件外部 • 由热效应引起的失效可分为两个方面： 1、高温引起的失效 2、温度剧烈变化引起的失效 • 表征微电子器件热能力的两个主要参数： ①最高允许结温②热阻
结温：器件有源区的温度。 最高允许结温：为了保证器件正常地长期可靠地工作， 必须规定一个最高允许结温，记为TJM，与以下三 因素有关： （1）半导体芯片材料达到本征状态时的温度。 一般掺杂浓度越高（即电阻率越低），最高允许结 温越高。 （2）半导体器件的可靠性要求。 （多数失效模式被温度加速，结温越高，寿命越短） （3）器件封装和引线管材料的高温性能。 对于硅器件，塑料封装125oC~150oC；金属封装 150oC~200oC (实际情况下，限制器件最高允许结温大多是可靠 性因素。)
闩锁发生条件：
• 触发条件：寄生晶体管发射结正向偏置。 • 正反馈条件：触发电压消失后，为保持正
反馈，应满足IC1 ≥IB2（通常可满足） • 偏置条件：电源电压VDD必须大于出现闩锁 后的维持电压VSUS，电源提供的电流必须大 于维持电流ISUS。(相反，寄生晶闸管导通后， 要使其关断，必须设法使流过闸流管的负 载电流小于维持电流)
• 温度对微电子器件电参数的影响
a.双极型器件电参数的温度指性 1、hFE共发射极直流电流放大系数（T↑，hFE↑） 2、发射结正向压降VBE（T↑，VBE↓） 3、晶体管反向电流ICBO，ICEO（T↑，ICBO，ICEO↑） 4、晶体管饱和压降VCES，VBES (T↑,VCES↑,VBES↓) 5、pn结击穿电压VB（T>25oC：T↑, VB↑; T>TM(某临 界温度)：T↑, VB↓） *改善双极晶体管温度稳定性的方法 1、降低发射区掺杂溶度 2、增加扩散结深 3、增大发射极周长面积比