Qorvo的“工匠精神”体现在对可靠性的高度重视上

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8月29日下午,Qorvo资深院士Bill Roesch空降深圳市高新技术产业园区,奉上了一场关于“Ⅲ-Ⅴ元件的技术趋势和可靠性挑战”的精神盛宴。Bill究竟都分享了哪些干货呢?大家一起来看看吧~

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身为IEEE会员并担任复合半导体可靠性研究会执委会委员长达31年,Bill Roesch可说见证了Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体风起云涌的发展历史。在研讨会上将三十多年的积累“倾囊相授”,Bill只用了简单三步:

第一步,厘清可靠性研究的意义

“What makes a trend?”Bill以这样一个设问开门见山。他认为2012年可以称为“历史新纪元”的开启之年,无线通信时代使更多电子元件有了“用武之地”。与互联网时代相比,世界的发展轨迹逐渐投向移动互联,并由此催生出基于电子元件的巨大消费市场,对我们所有人来说,都影响深远,而电子元件的可靠性研究其实是这一切的基础。

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自1975年起这过去的四十年间,积累了大量基于化合物半导体可靠性测试的历史数据,Bill从1300多份公开发表的文章以及测试案例库中提取了673项可靠性测试数据进行凝练。通过对数据解读,Bill告诉我们凭借应力测试的数据可预测元器件的平均工作时间(median lifetime)。一般来说,元件理想的工作时间长达106小时,大约为100年,如果当元件的寿命超过106小时,我们就能认定该元件的可靠性很好。在四十年间有三类新化合物半导体在应用初期不能达到106小时的寿命要求,例如pHEMTs、HBTs以及GaN,但是随着制造工艺的改进,这些新半导体的可靠性达标了,甚至越来越好。现在这几类化合物半导体被业界广泛采用,是电子产业繁荣景象的重要组成部分。而这也正是可靠性研究的部分意义所在:找到提高可靠性的方法,让看似不能商用的半导体成功商用。可靠性研究的另一部分显而易见的意义在于,通过降低半导体的失效率,以减少客户因器件失效而导致的各类损失。

 

第二步,讲解GaAs与Si的可靠性对比

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随后,Bill凭借实际案例­——GaAs和Si的可靠性对比——为我们说明器件的可靠性不仅会变好,也会变差。GaAs的可靠性测试基本从1985年开始,其后几年GaAs的失效率(failurerate)下降很快,同时可靠性提高很快。从1993年之后的曲线对比,可以看出GaAs和Si的可靠性基本已经齐平。但是随着集成度越来越高,Si的可靠性反而有所下降。这是目前GaAs的可靠性好过Si的原因之一,也是我们越来越多选择Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体例如GaAs、GaN的原因之一。不过选择化合物半导体的原因并不仅仅是“谁可靠性高就用谁”这样简单,Bill又补充了如下两点:

电子迁移率(Speed of Electrons):相比于Si,化合物半导体的电子迁移率是Si的电子迁移率的100万倍,这也决定了它在高频上相较于Si有更显著的优势;

掺杂:如果在GaAs中掺杂In或者P,它的电子迁移率将还会有10倍左右的提升,如果将GaAs换成GaN,电子迁移率会有10倍左右的下降,但随之而来是电源及热性能上的提升。

 

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不同的材料虽然具有不同的可靠性,但也具有不同的性能,元件的选择应该取决于应用场景。然后Bill继续将Si与化合物半导体进行对比:

 

性能:Si通常是用缩小尺寸来提升性能,而化合物半导体引入的30多年间,很少缩减尺寸(shrinking),通常是通过引入新材料来提升性能,例如GaN;

 

可靠性:对Si来说,要提高可靠性,需要引入新材料,以前较多的是Al,现在可能需要Au、Cu;对于化合物半导体来说,可靠性良好,同时,失效率也持续呈现下降趋势,并不需要刻意缩减尺寸;

 

结果:对于Si,由于不断缩减尺寸,造成了失效率不断上升,因此,需要更多关注Si在失效率方面的情况;而对化合物半导体,则可以更多关注如何更好满足应用它的参数。

 

第三步,阐释可靠性测试的内容与挑战

Bill介绍道,可靠性测试有3大块内容,位居两头的Wearout(损耗、老化)、Early (早期失效期)以及中间的Success Testing,它们三部分内容一起组成了经典的“浴盆曲线”(典型故障曲线)。其中,可靠性测试中最为关注的是Wearout和Early阶段:

Wearout:也就是所有的损耗,老化,比如说元件正常工作20~30年之后,它的失效来自于长期使用之后的正常损耗;

Early(infant):早期失效,是指产品在开始使用时失效率很高,但随着产品工作时间的增加,失效率迅速降低。

 

在可靠性测试时,有可能一个器件的正常寿命超过100年,但我们无法持续测试100年,这时便需要设计一些应力测试,以设置加速因子预测器件寿命。因此,研究者们在测试产品时,会使用严苛的实验环境,如高温、高湿、甚至动态化的恶劣环境来考验产品的质量与可靠性。

 

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半导体的挑战从来都是在“忍受” “更热、更潮湿、更加动态不可控”的环境元素的基础上追求“性能更好、尺寸更小、价格更低、更新更快”,但从可靠性角度来说,挑战一直在于“零缺陷”、“零失效”。因此失效分析(failure analysis)、科技推动下的持续性能提升,以及客户的“使用权益”保护都需要关注,这样我们才能更好地做到以“预测、防止及保护”为核心的抗失效机制。

 

在保证可靠性方面Qorvo精益求精

 

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从1985年到2015年30年间,Qorvo根据客户返回的元件做失效分析,失效率呈逐年降低趋势,而器件的可靠性则逐年升高。现在,Qorvo每年投入超过10,000个晶圆来做可靠性测试,投入之巨超乎想像。Bill提到,去年Qorvo的产品出货量达80亿片,未来将会更多。如此巨量的出货必须得有世界顶尖的器件可靠性做保障,否则会影响到商誉。精益求精,不放过任何有损可靠性的细节,Qorvo的工匠精神正体现于此。

 
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