半导体老化：不可忽视的隐患与挑战

芝能智芯出品

在半导体行业，器件老化逐渐成为了一个不容忽视的问题，尤其在汽车等安全至关重要的领域，老化的影响越来越明显。

虽然在过去，由于设计较为保守，老化问题没有引起广泛关注，但随着工艺技术的不断进步，老化带来的不稳定因素越来越突出。

Part 1

芯片老化的复杂性与成因

半导体器件老化的原因非常复杂，包括多种因素。比如，热载流子注入和偏置温度不稳定性是两种常见老化机制。这些效应在高电压、温度和应力条件下会加速，信号活动、占空比等因素也会加剧老化现象。

在先进的工艺节点上，老化效应更加显著。随着半导体工艺进入纳米级，器件尺寸减小，任何细微变化都会对热性能和机械可靠性产生重要影响。传统静态时序分析工具已显不足，设计者需增加更多裕度以确保长期可靠性。

以前，在半导体设计中常采用5%至10%的裕度来预防老化引起的不确定性。然而，随着技术进步，为了满足客户对性能、功耗和面积的要求，减少设计裕度变得必要。这意味着需要更精确的分析工具来预测老化，防止系统过早失效。

老化并不是瞬间发生的，而是随时间逐渐累积的过程。例如，在数据中心应用中，设备可能在运行几个月后才表现出由老化引起的性能下降。这表明老化不仅限于早期故障，还可能在系统长期运行中出现，对关键任务应用提出了更高要求。

●3D-IC老化：堆叠复杂性与热问题

随着3D-IC技术的发展，热管理问题日益突出。3D堆叠结构增加了系统的热密度，改变了热梯度分布，使传统平面设计难以适应新的热应力环境。当多芯片叠加时，局部热效应会显著增强，加剧整个系统的老化压力。因此，老化模拟和热分析工具变得尤为重要。

设计者需重新评估功率密度对系统温度的影响，以更准确地预测老化趋势。在3D堆叠中，简单的功率密度模型已不够精确，需要更复杂的热仿真工具来捕捉局部温度变化对老化的影响。

●关键部件与时钟树老化

一些模拟设备，如用于维持电压或电源的器件，由于电流消耗较高，往往更容易老化。这类器件的可靠性对于整个系统的长期稳定性至关重要，特别是在汽车和航空等关键任务应用中。

时钟树网络也是容易受老化影响的关键部分。时钟网络通常以高频运行，任何老化导致的抖动或占空比失真都会严重影响系统性能。

随着设计复杂性的增加，仅仅依靠裕度已不足以解决问题，精确的时钟树老化分析变得至关重要。

●新兴问题：局部布局效应与LLE

除了热管理和电流密度问题，局部布局效应也成为老化分析的新挑战。局部布局效应是指相邻单元布局对当前单元切换行为或延迟的影响。

随着工艺节点缩小，这种效应在先进工艺中更加明显。设计者必须对系统中各单元的相互作用进行细致分析，因为不同部分的老化速度会因温度、工作负载和活动因素而异。忽略这些局部差异可能导致某些单元老化过快，引发设置或保持问题。

Part 2

监控与自适应控制：

应对老化的未来路径

为了更好地应对老化问题，许多公司在芯片中加入了内置监控器。

这些监控器可实时评估系统老化程度，并将数据反馈给控制系统，实现自适应电压或频率控制。当监测到某部件老化速度过快时，系统可通过调整电压或频率来延缓老化。

此外，内置监控器还能帮助设计者确定故障原因，通过结构化模式和监控器，更准确地捕捉老化对系统各部分的影响，从而提前预测故障。

这种基于监控的老化管理策略不仅提高了系统可靠性，还延长了器件的使用寿命，特别是在关键任务应用中，确保系统在老化过程中仍能正常运行。

半导体老化问题是一个不断加剧的隐患，尤其在先进工艺节点和关键任务应用中，老化效应对系统性能的影响越来越明显。

小结

半导体行业已开始采用更精细的分析工具和监控手段来应对老化问题，但要彻底解决这一挑战还需付出更多努力。