Entegris白皮書：需要預(yù)防大，中，小三類汽車潛在缺陷

　　如今，現(xiàn)代汽車使用的數(shù)字代碼超過 10 萬行1，預(yù)計到2025 年，這一數(shù)字將增長 6 倍，并且在 10 到 12 年內(nèi)，車載電子設(shè)備預(yù)計將占據(jù)電動汽車和自動駕駛汽車一半的價值?？紤]到目前 30% 以上的現(xiàn)場故障都是由汽車的電子設(shè)備引起的，這些數(shù)字引人深思。

　　汽車召回不僅會損害公司聲譽(yù)，而且成本高昂，與電子 設(shè)備相關(guān)的召回次數(shù)增多所帶來的影響讓廠商無法承受。汽車電子設(shè)備的一個已知風(fēng)險是潛在缺陷，也就是在半 導(dǎo)體晶圓廠的測試中或在組件封裝的后續(xù)老化測試中并 未出現(xiàn)的故障。隨著時間的推移，這些缺陷會逐漸發(fā)展， 從而引發(fā)可能導(dǎo)致安全危害和昂貴召回的故障。

　　電子設(shè)備缺陷已經(jīng)是一個代價高昂的問題，但許多因素可能會使這些缺陷在未來成為一個更重要的問題。汽車電子元件的價值正在上升，這在很大程度上要歸功于數(shù)字控制和舒適系統(tǒng)，先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 以及全自動駕駛汽車的持續(xù)發(fā)展。隨著汽車成本的增加， 駕駛員和乘客越來越依賴于嵌入式系統(tǒng)來引導(dǎo)和控制其出行，買家對“卓越表現(xiàn)”的期待也隨之提高。隨著電子設(shè)備日益融入到安全系統(tǒng)中以及自動駕駛汽車的出現(xiàn)，電子系統(tǒng)故障可能會對生命構(gòu)成潛在威脅。當(dāng)問題出現(xiàn)時，這將激化召回的需求。此外，隨著汽車使用模式的增加，代價高昂的潛在缺陷將更有可能顯現(xiàn)出來。

　　根據(jù)Electroiq2，當(dāng)前一輛典型的汽車包含5000到8000個微芯片(芯片)。如果一家制造商每天生產(chǎn)25,000 輛汽車，芯片故障率為百萬分之一 (PPM)，那么每天生產(chǎn)的汽車中就有 125 輛存在潛在芯片質(zhì)量問題。在任何條件不變的情況下，隨著更多的電子設(shè)備安裝到汽車上，這個數(shù)字將會成倍增長。

　　為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，芯片制造商將需要找到相應(yīng)的方法， 用較低的成本來識別或防止制造不可靠的芯片，并在不可靠的芯片被安裝到電子組件并繼而被安裝到汽車中之前， 將其從供應(yīng)鏈中剔除出去。

　　半導(dǎo)體晶圓廠的一個有故障的芯片的成本相對較小(1X)。如果這個芯片通過了封裝制程，然后在老化制程中被識別，則故障成本已上升到晶圓廠預(yù)防成本的10倍。如果這個有故障的芯片進(jìn)入了制造工廠，并在問題出現(xiàn)之前被安裝到了汽車中，則成本會增加到一個天文數(shù)字，也就是在晶圓廠消除或預(yù)防此問題的成本的 1000 倍，而這還未考慮到對安全或生命的潛在威脅。

　　發(fā)現(xiàn)有問題的微粒

　　顯然，晶圓廠是防止?jié)撛谌毕莸淖罘线壿?，最具成本效益的地方。問題是，很難通過大多數(shù)現(xiàn)代半導(dǎo)體晶圓廠普遍使用的技術(shù)來識別潛在缺陷，因為這些晶圓廠傳統(tǒng)上注重于讓生產(chǎn)制程消除更易識別的“致命”缺陷來實現(xiàn)良率最大化。這些缺陷通常是由較大的微粒引起的，這些微粒可能會橋接相鄰線路或者嵌入到柵氧化層等層中，導(dǎo)致垂直泄漏。所謂的“大微粒”取決于電路間隔或者間距(兩個傳輸電子信號的相鄰電路的接近度)。芯片的設(shè)計各不相同，因此一個晶圓廠中導(dǎo)致“致命”缺陷的微粒可能為90nm，而另一個晶圓廠中的可能為5nm。晶圓廠使用的計量系統(tǒng)在選擇時考慮到了經(jīng)濟(jì)因素，主要用于檢測可能會給晶圓廠的典型電路間距帶來風(fēng)險的大小的微粒， 并專門選擇了相應(yīng)的過濾器來去除進(jìn)入制造過程的流體中的致命微粒。

　　這些致命微粒由于較大，通常更容易使用內(nèi)聯(lián)計量方法發(fā)現(xiàn)，并在晶圓廠進(jìn)行過濾來去除。中等大小的微粒不易通過傳統(tǒng)計量系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)或通過傳統(tǒng)過濾器去除，并且也可能導(dǎo)致問題。它們可以在設(shè)備封裝步驟的老化制程中被發(fā)現(xiàn)，但無法去除。因此，那些在老化中被發(fā)現(xiàn)存在故障的設(shè)備只能被丟棄，從而造成可銷售商品的損失。用于發(fā)現(xiàn)這些大中型微粒引起的缺陷的設(shè)備和方法是眾所周知且經(jīng)過證實的，并且已成為任何電子設(shè)備可持續(xù)生產(chǎn)的一個組成部分。

　　小威力，大問題

　　各種檢測已經(jīng)開始描繪出潛在缺陷與污染物(如微粒，凝膠，金屬離子和有機(jī)物)之間的關(guān)系。這些是在晶圓廠采取標(biāo)準(zhǔn)預(yù)防措施和老化可用性測試后仍然存在的污染物。盡管導(dǎo)致了短路，開路或任何電解質(zhì)泄漏的污染物會被檢測到，但較小的和中等大小的污染物仍可能會嵌入在相應(yīng)的層中，并隨著時間的推移而引發(fā)問題。

　　業(yè)界對可靠性故障原因的研究已有幾十年了。其中的原因包括電遷移，氧化層擊穿，熱載流子注入 (HCI)，應(yīng)力導(dǎo)致的開裂和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性 (NBTI) 等效應(yīng)。此外，還發(fā)現(xiàn)了與擴(kuò)散，腐蝕和可塑性有關(guān)的更多機(jī)制。隨著可靠性目標(biāo)變得更加嚴(yán)格，將需要采用更多機(jī)制， 對與微粒和金屬污染物有關(guān)的潛在缺陷進(jìn)行控制，從而 使可靠性達(dá)到新的水平。

　　微粒大小對柵氧化層的影響

　　圖 5 從三個問題層次總結(jié)了小微粒，中等大小微粒和大微粒對柵氧化層完整性的潛在影響。最大的微粒可能會破壞芯片上的特征圖案或干擾不同材料的分層，并導(dǎo)致“致命”缺陷。去除大微?？梢粤⒓刺岣吡悸剩⑶铱梢院茌p松地通過計量系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并通過標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體液體過濾器和凈化器去除這些大微粒。阻止或控制大微粒的成本不高。但是，一旦晶圓在半導(dǎo)體晶圓廠中生產(chǎn)出來，這些微粒和任何相關(guān)缺陷將會永久嵌入其中，無法修復(fù)。

　　不當(dāng)?shù)倪^濾或計量方法可能會漏掉中等大小的微粒，這些微粒可能會也可能不會在老化測試中導(dǎo)致故障。由于這些微粒不會完全破壞芯片上的特征圖案或干擾不同材料的分層，因此它們不會導(dǎo)致設(shè)備的即時故障。隨著時間的推移，這可能會導(dǎo)致安裝的部件最終出現(xiàn)故障。為防止?jié)撛谌毕?，?yīng)在半導(dǎo)體晶圓廠發(fā)現(xiàn)并處理這些晶圓缺陷。根據(jù)現(xiàn)有的計量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)這些故障的難度會更大，成本也會更高，但在這個制造階段發(fā)現(xiàn)問題可以將不合格的芯片從供應(yīng)鏈中剔除?？梢酝ㄟ^加強(qiáng)過濾和凈化操作來預(yù)防這些缺陷。

　　下一個挑戰(zhàn)是可能無法通過晶圓廠的過濾器去除或由計量系統(tǒng)檢測到的小微粒。由于它們只是部分地破壞芯片上的特征圖案，或部分地干擾不同材料的分層，因此它們不會導(dǎo)致設(shè)備的即時故障，也不會在芯片和模塊制造過程中的老化測試中發(fā)現(xiàn)。它們可能導(dǎo)致的惡化發(fā)生得更慢，從而導(dǎo)致潛在故障，這種故障可能在芯片通過所有參數(shù)檢驗，老化測試和功能測試并投入使用后的幾個月或幾年之后才會發(fā)生。

　　請注意，從圖 5 中可以發(fā)現(xiàn)，微粒密度會隨著微粒變小而增加。用自然界作為類比，化學(xué)物中的微粒分布與地質(zhì)狀況相似。地球上的沙粒比大石塊多得多。在同一圖表中，缺陷密度也會隨著微粒變小而增加。但是，隨著微粒持續(xù)變小，缺陷密度將降低并定格在某個點。此時，微粒已經(jīng)足夠小，以至于不再可能產(chǎn)生潛在缺陷，因此不需要成為清除工作的重點。與其他大小的微粒一樣，“小”微粒大小的描述將因每個電路設(shè)計的容差而異。

　　應(yīng)對十億分率的挑戰(zhàn)

　　業(yè)內(nèi)早已意識到這些問題。適用于AI(人工智能)，HPC(高性能計算)，加密貨幣，5G以及其他存儲和處理密集型應(yīng)用的高端芯片的制造商正在努力達(dá)到接近 零缺陷的標(biāo)準(zhǔn)。但是，車用芯片傳統(tǒng)的特點是，在電力 應(yīng)用，微控制器和低復(fù)雜度傳感器中要求有較大的電路 寬度和嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而在 10-15 年的預(yù)期壽命中能夠承受惡劣的溫度，濕度和振動條件的考驗。因此，污染控制通常集中在去除較大的微粒，以免產(chǎn)生威脅良 率的致命缺陷。但隨著我們讓汽車對我們的出行需求和 整體安全進(jìn)行更多的自動化控制，汽車制造商越來越意 識到，在個別故障和代價高昂的召回中，污染與潛在缺 陷之間可能存在關(guān)系。隨著行業(yè)期待將設(shè)備故障率從ppm 級別降低到ppb級別，半導(dǎo)體制造商將不得不進(jìn)一步展示滿足這些要求的能力。隨著在汽車應(yīng)用中引入新的設(shè)備設(shè)計，可展示的芯片可靠性將很快成為一個關(guān) 鍵的競爭優(yōu)勢，這將為那些能夠達(dá)到質(zhì)量，成本，性能 和可靠性標(biāo)準(zhǔn)的組織創(chuàng)造更多的機(jī)會。

　　正在接受評估的污染控制解決方案將使用現(xiàn)代計量工具和缺陷檢測技術(shù)的檢測方法，并結(jié)合使用過濾和凈化技術(shù)的預(yù)防策略。每個晶圓廠和制程都獨具特色，因此有不同的解決方案來滿足每個晶圓廠和工序遇到的不同需求和限制條件，以便去除導(dǎo)致缺陷的污染物。通過描繪半導(dǎo)體制造制程中的污染物概況并實施去除策略，可提供最全面和可預(yù)測的結(jié)果。根據(jù)所使用的計量技術(shù)，可檢測到的微粒大小存在限制。在不降低晶圓良率的情況下，小于檢測限制大小的微粒仍可能對電路的可靠性造成威脅。隨著汽車的互聯(lián)程度越來越高，且電子設(shè)備在汽車價值中所占的比例越來越大，汽車芯片制造商需要探索采用何種方法來實現(xiàn)更高的可靠性能，以解決這些小微粒和雜質(zhì)造成的問題以及由此產(chǎn)生的潛在缺陷，這一點非常關(guān)鍵。這些工作可以通過實驗室中的加速生命周期測試來進(jìn)行驗證，從而無需經(jīng)過多年的現(xiàn)場測試，便可了解投資回報的情況。

　　總結(jié)

　　隨著汽車與先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)4 (ADAS)和其他數(shù)字系統(tǒng)的集成程度越來越高，汽車將包含種類和數(shù)量更多的芯片。這些數(shù)字系統(tǒng)將包括傳統(tǒng)的傳感器，電力設(shè)備，微控制器和存儲，而 ADAS和其他系統(tǒng)會將我們的手機(jī)和其他“高性能計算”處理和存儲技術(shù)帶到汽車上，從而構(gòu)造出最復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)之一。這些汽車對芯片安裝到汽車中之后顯現(xiàn)的潛在缺陷具有高度敏感性。無論是涉及更換故障元件還是召回和生命安全，糾正這些缺陷的代價都將非常高昂。晶圓廠的檢測以及后續(xù)的老化測試(旨在發(fā)現(xiàn)當(dāng)場出現(xiàn)故障的芯片)很難發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致潛在缺陷的小微粒和金屬污染物。芯片制造商面臨的問題是，通過更嚴(yán)格的測試提高芯片可靠性的做法可能會引發(fā)一場關(guān)于晶圓良率取舍的哲學(xué)辯論。在不降低良率的情況下提高可靠性的一種方法是，在這些小微粒和金屬污染物進(jìn)入芯片生產(chǎn)過程之前，通過更徹底的過濾和凈化來去除它們。隨著潛在缺陷和污染物之間關(guān)系的進(jìn)一步確定，這種提高可靠性的方法可能會成為一種強(qiáng)有力的競爭優(yōu)勢，并提供極高的投資回報。