Qorvo的“工匠精神”体现在对可靠性的高度重视上

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~

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。

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

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。

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。

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

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。