金鑫
天水天光半导体有限责任公司 741000
摘要：为了适应电子系统的国产化、小型化、高性能、高可靠性的发展需求，使用裸芯片(BareDie)来减小体积并提高整机集成度的混合集成电路(hybridintegratedcircuits，HIC)、多芯片组件(multichipmodule，MCM)产量日益提高。同时，由于进口芯片禁运的限制，业内对我国国产半导体集成电路芯片的质量与可靠性提出了更高的要求。经过十几年的发展，已有了较完善的标准和较成熟的技术。因此本文就上述论点对半导体集成电路芯片质量与可靠性保证方法做出研究与分析。
关键词：半导体；集成电路；芯片质量；可靠性；保证方法
1半导体集成电路的可靠性测试
1.1半导体的可靠性
在半导体的器件中，集成电路是一个重要类别，朝着高精度、低功耗、高速度和高集成度发展，同时，其尺寸也不断变小，而器件的二维效应则明显提高。集成电路内部的电场密度、电流都所有增加，与此同时，电路出现性能缺陷的概率也在提升。在大力发展、广泛应用集成电路阶段，半导体式的集成电路也逐渐应用到恶劣环境内，在大功率、强辐射、高频、高压和高温的条件中，半导体式集成电路的可靠性出现了不稳定。
当前，在研究半导体式集成电路的行业中，我国主要利用被动筛选方式检测产品的可靠性。然而，这种方法的成本高、周期长，也无法根本性地提高半导体集成电路可靠性。因此，要深入探讨和分析半导体集成电路的应用条件，探讨不同环境中集成电路器件失效、性能退化而出现的物理反应和诱发应力，以出现的诱发应力与物理反应参数对集成电路产品的可靠性进行设计。在对半导体集成电路进行研究的过程中，要综合考虑优化和加固封装、线路和版图，保证器件寿命期限内电参数持续保持正常。
1.2半导体集成电路的工艺可靠性
要想大幅度提升集成电路产品的可靠性，加强对制造工艺可靠性的研究是主要途径，也是关键性环节。在研究集成电路产品的可靠性中，要分析制造技术会如何影响到半导体式集成电路使用的可靠性，对保证可靠性的工艺流程进行着重控制与监测，构建评价集成电路产品制作工艺可靠性的规范化程序和有效方法，这些程序与有效方法能够促进对半导体式集成电路可靠性的研究。要想保障实物产品的可靠性，则必须确保其工艺具有较高的可靠性。在评价和控制工艺可靠性的研究中，基本出发点是保证工艺的可靠性，从而保障产品的可靠性。
在研究工艺中，要依据不同的失效原理设计测试微电子可靠性的结构，并组织实施加速试验，得到失效机理下产品的有关参数和信息，在测试微电子的结构中构建可靠性测试与设备可靠性之间的联系，保证工艺具有较高的可靠性。在工艺可靠性探索中，可以有效控制载体中生产集成电路的流程，借助我国生产集成电路已有生产线，以此为基础研究恰当的评价方法和控制集成电路可靠性的方法，以圆片级和封装级的LR为基础，建立评价工艺可靠性的平台。
1.3评价半导体元件保持可靠性的时间
各种类型的电子设备中，半导体都是基础元器件是一个重要的组成部分，半导体式元器件的可靠性能对设备整体性能与可靠性产生了直接影响。在制造半导体行业中，研究半导体的可靠性有重要价值。半导体式器件的设计和生产直接关系到产品的可靠性。测试半导体式元器件可靠性的措施一般是采用可靠性评价，借助统计工具、用来仿真的模拟对半导体元件质量、使用寿命的周期、失效率等进行评定。代表半导体元件可靠性的指标中，使用寿命是关键。
评估半导体在寿命方面的可靠性，其具体方法为：选择对集成产品进行模拟的高可靠性产品，比如典型性军用产品，通过对产品参数进行分析，研究能延长产品寿命的技术，将适合应用到半导体产品中的集成电路作为参考，着重研究可以评估集成电路寿命可靠性的预测方法，比如人工神经网络、时间序列、回归分析、灰色理论等。
2芯片质量与可靠性保证方法
芯片技术难度和成本均很高，尚不具备推广的条件。同时，电子系统对半导体集成电路芯片的质量与可靠性提出了更高的要求。
为解决这一问题，行业内比较认可的观点是“可靠性是靠设计、制造出来的”。即，裸芯片的质量与可靠性保证方法要尽可能地在设计和制造阶段进行；因此，为了保证半导体集成电路芯片的质量与可靠性，需从以下3点进行。
2.1设计保障
针对半导体集成电路芯片在以后工作条件和应用环境下，以及在规定的工作时间内可能出现的失效模式，采取相应的设计技术，使这些失效模式能够得到控制或消除，从而使设计方案能同时满足其功能、特性和可靠性要求。具体分为以下4类技术：
1)常规可靠性设计技术。包括冗余设计、降额设计、灵敏度分析、中心值优化设计等。
2)针对主要失效模式的器件设计技术。包括针对热载流子效应等主要失效模式，合理设计器件结构、几何尺寸参数和物理参数。
3)针对主要失效模式的工艺设计保障。包括采用新的工艺技术，调整工艺参数，以提高半导体集成电路芯片的可靠性。
2.2工艺保障
通过可靠性设计，为芯片的可靠性水平奠定了基础，最终芯片产品的实际可靠性水平取决于芯片的制造工艺。为保证工艺可靠性要求的实现，从芯片生产涉及的环节应主要考虑以下几个方面的控制：
1)原材料控制。包括对掩膜版、化学试剂、光刻胶、特别对硅材料等原材料的控制。控制不光采用传统的单一检验方式，还可对关键原材料采用统计过程控制(statisticalprocesscontrol，SPC)技术，确保原材料的质量水平高，质量一致性好。
2)加工设备的控制。除采用先进的设备进行工艺加工外，还应做好对设备日常维护、预防性维修等工作，同时应对设备的关键参数进行监控，必要时建立设备参数的SPC控制模型进行分析控制等。
3)工艺加工过程的控制。包括对关键工艺参数进行SPC控制、工序能力分析、设计等，同时对工艺加工关键环节建立工艺检验手段，如对氧化层的针孔和裂纹的检验、对可动金属离子的检验、对金属层稳定性的检验等。此外，工艺方面的保障还应包括对操作人员的培训和考核、对环境洁净度的控制和建立先进的生产质量管理信息系统等方面。
2.3筛选、验证保障
设计、加工的半导体集成电路芯片交付之前，需进行筛选、检验以保证芯片的质量与可靠性。目前，行业内普遍认可的是参照GJB 597B-2012 《半导体集成电路通用规范》相应质量等级要求和用户要求，对半导体集成电路芯片进行100%筛选、鉴定检验和质量一致性检验。
其中100%筛选对所有裸芯片进行，主要进行晶片批验收、稳定性烘焙、电探针测试、功能拉偏测试、内部目检。通过100%筛选尽可能地剔除早期失效芯片。鉴定检验和质量一致性检验是对封装样品进行，从筛选合格芯片中随机选取芯片封装后参照GJB 597B-2012 《半导体集成电路通用规范》相应质量等级要求和用户要求进行鉴定检验和质量一致性检验，其中不进行与封装有关的试验。通过这种方式，验证整批裸芯片的质量与可靠性水平能否满足用户要求和长期可靠性要求。
结语
目前，半导体集成电路芯片质量与可靠性保证的标准尚未出台。笔者在此背景下，提出了半导体集成电路芯片质量与可靠性保证需从设计、工艺、筛选验证方面进行，在筛选验证方面提出了芯片筛选、封装样品考核相结合的方式。通过上述保证最大限度地满足混合集成电路、多芯片组件对半导体集成电路芯片的质量与可靠性要求。
参考文献：
［1］张倩 . 集成电路产业现状分析［J］. 科技中国 ,2018(2):73-77.
［2］方莹莹 , 刘戒骄 . 从开放式协同创新看中国芯片产业生态圈营造［J］. 产经评论 ,2018(6):104-115.
［3］王鹏 .2016—2017 年中国集成电路产业发展蓝皮书［M］. 人民出版社 ,2017:1-301.