随着汽车智能化应用越来越广泛，芯片已经成为汽车上各功能模块不可或缺的一部分。分析表明，微控制单元芯片是车载芯片种类中一个重要的组成部分，不仅可以用于车上的核心行车电脑中，也可以用于车上娱乐系统。基于跟踪了 2014 年起至今多颗车规级微控制单元芯片的上车后的失效反馈，对其进行了失效机理归类及失效率分析。

　　中图分类号：TN402；TN406   文章编号：1674-2583(2019)09-0007-02

　　DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.09.003

　　中文引用格式：陆涵蔚，朱黎敏，陈赞栋.车规级微控制单元芯片上车使用后的失效机理及失效率分析[J].集成电路应用, 2019, 36(09): 7-8.

　　Aanalysis of Failure Mechanism and Failure Rate of Vehicle Level MCU after Using in Vehicles

　　LU Hanwei, ZHU Limin, CHEN Zandong

　　Abstract — As the growing numbers of vehicles' intelligent application, IC chips are playing important role on every vehicle's function module. MCU is one of important IC chips applicated on Vehicle. MCU can not only be used in ECU but also be used in infotainment on vehicles. The failure mechanism and Failure Rateof have been analyzed since 2014.

　　Index Terms — IC design, MCU, vehicle level IC chip, failure rate.

　　1  引言

　　微控制单元芯片在消费级工业级和汽车级的应用都非常广泛。在汽车上，微控制单元芯片应用在车身控制，仪表显示，影音娱乐，底盘安全，动力总成各个部分。由于汽车内外严苛的使用环境，车用芯片对可靠性的要求非常高。

　　本文以 0.35 μm EEPROM 工艺平台已通过车规级可靠性验证的芯片作为对象，分析了几款芯片在上车使用后的失效情况。

　　2  失效机理

　　一般半导体芯片使用后的失效机理可分为以下几类。

　　（1）半导体本体失效主要指片中的半导体材料缺陷。

　　（2）介质层相关失效，主要指栅氧，隧道氧化膜，后道金属间介质膜以及钝化膜层缺陷。

　　（3）半导体-介质层界面失效，主要指硅衬底和 SiO2 界面间的缺陷。

　　（4）互联和金属化层失效，对于铝后道工艺，这类失效主要有两个根本原因：① 由于金属电迁移造成的空洞引起芯片失效。② 由于含卤素或卤化物的小环境导致金属腐蚀。

　　（5）封装失效，主要是封装过程中产生的裂缝导致失效。

　　从 2014 年以来对多颗使用 0.35 μm EEPROM 平台生产的车规级微控制单元芯片上车使用后的反馈进行分析，上车使用后的失效模式，具体有以下几种。

　　（1）半导体本体失效,在此工艺平台上看到的半导体材料缺陷主要集中在衬底缺陷，如图 1 所示。由表 1 可见，衬底缺陷在上车后几千公里到上万公里后都会引发芯片失效。在换用缺陷管控更严格的衬底后基本可以杜绝此类失效。

　　（2）介质层相关失效，介质层相关失效是车载芯片上车使用后失效的另一主要模式，如图 2 所示。导致此类失效的原因有多种，主要改善方法有工艺步骤更严格的颗粒管控以及使用性能更好的工艺机台。由表 2 可见介质层相关引发的上车失效都发生在 5 000 km 以上。

　　（3）半导体-介质层界面失效,这类失效在 0.35 μm EEPROM 工艺平台上主要表现为衬底硅界面和栅氧之间的缺陷，如图 3 所示。改善此类缺陷的方法在于对栅氧成长前清洗，栅氧成长以及栅氧成长后未覆盖时的各步骤做更加严格的颗粒管控。表 3 是半导体-介质层界面失效导致上车使用失效情况汇总。

　　（4）互联和金属化层失效，这类失效在 0.35 μm EEPROM 工艺平台上主要表现为钨塞的火山缺陷，如图 4 所示，这类缺陷主要是由于钨塞下阻挡层金属厚度与钨塞工艺匹配不够好导致，优化阻挡层金属和钨塞工艺可改善此类缺陷。表 4 是互联和金属化层失效导致上车使用失效情况汇总。

　　3  失效率分析

　　我们以可靠性寿命的计算方法[1-3]，通过失效反馈芯片的行驶里程和失效反馈个数，评估 0.35 μm EEPROM 平台车规芯片的失效率。可靠性寿命 FIT（failure in time）定义为每 1×109 h 失效率。一般集成电路的可靠性寿命定义在 0.1～10 FIT 之间。

　　自 2014 年以来统计上车使用共 8 颗失效，以每年　20 000 km 的行驶里程以及 40 km/h 的时速计算初步 FIT 值为 0.38，查表可知 8 颗失效所对应 90% 置信区间值并可得最终可靠性寿命为 0.63 FIT。此数值在正常集成电路可靠性寿命区间内。

　　4  结语

　　本文分析了 2014 年以来 0.3 μm EEPROM 工艺平台上车规芯片上车使用后的失效情况及机理。

　　从失效情况来看，半导体制造缺陷即可能发生在车规芯片上车行驶 5 000 km 左右，也可能发生在行驶 30 000 km 以上。从机理分析来看失效多发生在介质层以及半导体-介质层界面，通过更严格的工艺管控和工艺改善可以进一步降低车规芯片上车使用后的失效并进一步提高可靠性寿命。