飞兆半导体：经得起推敲的可靠性

 

　　物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。电阻率介于金属和绝缘体[1]之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10E-5~10E7欧姆·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（ 硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

　　你也许会觉得我这个智商高达181的帅哥是个不识情趣的人，但其实并非如此。我喜欢在晚上读点轻松的东西，例如Kreck 与 Lück合着的《诺维科夫猜想》，或者是卡沃·米德 （Carver Mead）的《集合电动力学》等。这些巨着非常引人入胜，我相信你一定也深有同感。

　　这让我对半导体的可靠性有了一点小小的联想。不过我得在此声明，我刚刚喝了点葡萄酒，所以我的想法可能会受到酒精的影响啊。

　　半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

　　前面提到过的卡沃·米德 ,他的成就众多，其中之一就是在1960年代，当戈登·摩尔（Gordon Moore）尚任职于飞兆半导体公司时，对摩尔定律 （即集成电路上的晶体管密度约每两年便会翻一番） 所作出的贡献。

　　1965年，戈登·摩尔刚刚开始进行他的数据绘制工作，按年份把芯片上晶体管的数目以对数的形式绘制出来。它们都是一些不起眼的手绘图。现在我还保留了一些。

　　有一天，我们谈到这些手绘图。

　　他说："你正在研究当物体极为微型化时发生的电子隧道效应，对吗？"

　　"是的。"

　　"那不是会限制晶体管尺寸进一步缩小吗？"

　　"的确是。"

　　"那么，可以达到多小？"

　　戈登追问这些非常简单问题的方式，让你确实觉得你应该知道所有答案，然而我并不知道。我说："好的，我得去想一想".从那天以后，我就一直在思考这个问题。

　　摩尔定律的推动力在于，在我们制造出更小晶体管的同时，它们的制造成本也越来越低，而且工作性能也越来越高。这不是很了不起吗？那么，工作性能更高意味着什么呢？ 这意味着这些晶体管的功耗会更低，开关速度也更快。正是这个小小的奇迹，推动了数字化革命的惊人进步。

　　在创业50多年之后，飞兆半导体今天已是功率管理和便携式技术的领导厂商，而我们的工厂仍继续以的晶体管光刻技术提供各种的产品。

　　像我们这样能够为客户不断改进产品、同时又逐年降低价格的企业并不多。一般来说，如果你在大卖场购买廉价品牌的货品，你对商品的质量、功能、可靠性的期望值就会降低。倘若你低价买了一辆汽车，你就会有心理准备，它不会像品牌那么舒服，也不会那么安全可靠。但是，半导体企业的运作方式却不是这样。无论你花费多少来购买我们的产品，你都可以期待高可靠性、稳健坚固的部件。

　　年复一年，我们不断改进，尽力生产出故障率超低的部件。举个例子，飞兆的N –沟道FET NDT3055的FIT （Failure in Time, 1G元件小时的故障数量） 额定值为3.65,也就是说工作3127年才会出现故障。

　　让我们仔细看看这意味着什么。我们当然无法创建大量的部件并进行长达3,127年的测试。当然我们很乐意这样做，只是这并不可行。这个FIT 额定值是基于部件样品的加速寿命测试，再将结果插入公式法而推算出来的。

　　其基本概念是，利用高湿度与过压应力对样品器件进行老化试验，这样便无需等待几千年就可以估算出故障率。

　　如我上文所述，我们尽力为客户创建出稳健可靠的器件。客户可以参与到其中吗？当然可以。

　　在建立我们的可靠性估计时，我们使用一个根据Arrhenius方程得出的温度应力系数如下：

　　其中：

　　Ea = 半导体激活能量

　　k = 玻尔兹曼常数

　　Tu = 使用温度（K），或设计中的芯片温度

　　Ts = 加速寿命测试中使用的应力温度（K）。

　　所以，比如说你想提高一个系统的可靠性。利用本文末尾附带的平均故障间隔时间（MTBF）工具，我们可以预测把工作温度从100摄氏度降至90摄氏度后的效果。

　　我们对应力温度进行控制，这些基于半导体工艺，一般为150摄氏度（423K）或175摄氏度（448K）。只是使用温度是由你来控制，工作温度越低，则可靠性更高。这就是你那部分的工作。

　　所以，比如说你想提高一个系统的可靠性。利用本文末尾附带的平均故障间隔时间（MTBF）工具，我们可以预测把工作温度从100摄氏度降至90摄氏度后的效果。

　　100度时，计算所得FIT为1009.

　　90度时，计算所得FIT为860.

　　这个改进够了吗？这得看你的需要了。

　　请注意，我并不是在谈论这些数字的基本现实意义。说实在的，它们只是一些数字罢了。不过在实际设计中，其实也存在着相当数量的假设和未曾考虑的因素。

　　时间不早了，瓶子里也只剩下约半杯的酒。我还在想要不要把余下的酒留待下次再喝……