ULSI/VLSI集成电路芯片的可靠性既与设计有关,也与工艺加工过程有关,即芯片的可靠性是设计进去、制造出来。设计是集成电路芯片可靠性的基础,工艺制造是集成电路芯片可靠性的实现。要使超大规模集成电路在特定的寿命期间内能够稳定地工作,必须对影响集成电路芯片可靠性的固有失效机理进行评价。评价的目的是确定磨损失效的机理,通过改进设计和工艺加工水平确保集成电路芯片在整个产品寿命期间有良好的可靠性。本文梳理了国内外集成电路芯片固有失效机理的可靠性评价标准,阐述了这些固有失效机理的产生机制,总结了不同固有失效机理的试验方法,提出了固有失效机理的可靠性评价要求。这些标准、方法和可靠性评价要求具有很强的时效性,集成电路芯片固有失效机理的可靠性评价将在工艺开发、建库及工程服务中发挥作用,并有助于推动国内合格生产线认证的开展。
电子芯片/系统的尺寸微型化、功能复合化导致了其功率密度的增大,伴随着发热也越来越严重,如何应对电子芯片/系统逐渐增加的热流密度,成为散热设计中面临的巨大挑战,也是当前研究的热点。本文详细论述了传统散热技术的优缺点,对国内外正在开展的内嵌式微通道散热结构进行了系统分析,并着重对基于内嵌式微通道芯片散热技术原理、散热性能和创新性解决方案进行了归纳总结。在分析当前国内外解决方案的基础上,总结了基于内嵌式微通道的芯片散热设计经验和结论,以及面临的挑战,基于此给出了芯片散热设计研究现状和发展方向。
TSV作为目前公认最先进的新型高密度封装工艺之一,其结构工艺极为复杂,当前国内鲜有大规模应用及工程适用的质量与可靠性评价方法,相关统一标准尚未完全建立。本文以目前相对成熟并已形成行业共识的2.5D封装中TSV硅转接板为对象,结合其工艺结构特点以及实际产品生产试验的一线数据,研究提出了基于保证前移TSV硅转接板质量检验及可靠性评价方法,为TSV工艺产品的工艺质量监控、检验评价、可靠性保证及相关标准规范制定提供了一套成熟的解决方案。
电子产品向小型化、智能化方向演进已是必然的发展趋势,高密度集成电路封装技术是实现产品小型化的关键技术。本文对高密度混合集成电路封装技术进行了深入研究,从基板选择、结构设计和散热设计等方面对高密度混合集成电路的封装设计进行了论述。在此基础上,结合国外非气密性混合集成电路保证要求,文章进一步研究了高密度非气密混合集成电路的可靠性评价方法,并通过应用实例说明了评价方法的有效性,可作为国产化非气密性集成电路质量保证体系建设的参考。
针对22 nm FDSOI工艺在辐射环境下的单粒子瞬态问题,基于Sentaurus TCAD仿真工具对22 nm FDSOI NMOS进行建模,仿真研究了22 nm FDSOI NMOS的单粒子瞬态敏感区域,以及不同偏置电压和工作温度对单粒子瞬态的影响机理。仿真结果表明,22 nm FDSOI NMOS的敏感区域为体区和靠近体区的LDD区域;随着偏置电压的升高,漏端总收集电荷逐渐增大,漏端瞬态脉冲电流的脉冲宽度逐渐减小;相较于偏置电压对单粒子瞬态的影响,工作温度对22 nm FDSOI NMOS单粒子瞬态的影响并不明显。
本文对扇出型晶圆级封装(Fan-out Wafer Level Package, FOWLP)组装工艺的热可靠性进行仿真评价,对关键技术及失效机理进行分析,针对某款基于该项技术的典型封装结构,建立其1/4结构有限元仿真模型,并对在典型军用温度循环条件下的热可靠性进行仿真分析。通过分析FOWLP关键结构在典型航天器用热循环条件下的应力及位移情况,确定了可能引起扇出型晶圆级封装失效的可靠性薄弱点。
本文研制了一批不同尺寸规格的扇出型晶圆级封装结构的菊花链测试芯片样品,对不同几何参数下的样品进行了温度循环试验,并通过金相显微镜、扫描电镜和能谱分析等手段对失效样品进行了失效分析,研究总结了扇出型晶圆级封装重布线层互联结构的失效模式。研究工作可为扇出型晶圆级封装产品的可靠性评估和高可靠应用提供指导。
环氧粘接胶常用作集成电路粘接材料。在其固化过程中,经常观察到树脂析出现象。树脂析出物会沾污键合区,带来键合可靠性问题。本文利用接触角的方法研究了树脂析出的机理,讨论了基板粗糙度和树脂析出的关系,初步得出真空烘培对于树脂析出有较大影响,而基板粗糙度和树脂析出的严重程度无必然关联。
本文提出了一款高效率、宽输入电压的边界导通模式反激变换器结构。为了防止负载切换过程中芯片过压和欠压,提出了一种由电流调节电路(CRC)与自适应频率控制电路(AFCC)组成的新型模式切换环路,实现了芯片在不同模式之间的平滑切换,提高了负载的瞬态响应和转换效率;通过在环路中引入电流调节控制技术,减小了低纹波突发模式(LRBM)下的原边充电电流和输出最小负载电流,从而减小轻负载下的开关频率,降低功耗。基于0.18 μm BCD工艺,实现了电路设计和版图设计,芯片面积为1.48×2.5 mm2。仿真结果表明,变换器在输入电压为3~32 V、输出电压为5 V时,轻、重负载切换过程中的输出电压瞬态响应最大变化为6%,峰值转换效率为88.6%。
针对工业测量零件尺寸中存在测量精度低、算法适应性差等问题,设计了基于超分模型与改进Canny算法的机器视觉零件测量系统。首先,对相机进行尺寸标定,得到像素距离与实际尺寸的比例关系;其次,引入并改进超分模型对输入图片进行预处理,得到边缘细节更加清晰的图像;接着,为了优化工业测量环境中光照条件差导致的边缘检测问题,结合Otsu算法与双阈值分割算法,利用局部阈值分割的方式改进Canny边缘滤波算法得到边缘图像;最后,对边缘图像进行圆拟合与直线拟合后,根据相机标定结果与超分模型参数标记零件尺寸结果。实验结果表明,本系统的测量精度可以达到0.001 mm,平均测量误差为0.007 4 mm,整体测量速度为6.44 s,能够满足高精度工业测量需求。
在物联网(IoT)系统中,为了节省功耗引入了电阻电容(RC)张弛振荡器。针对无补偿的传统RC振荡器频率容易受到电源和温度影响的问题,本文所采用的前向体偏置(Forward Body Biasing,FBB)技术降低了低电源电压数字缓冲器的温度漂移,进一步的,本文同时利用亚阈区金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET,简称MOS)泄漏电流补偿技术(Subthreshold Leakage Current,SLC)和泄漏电流抑制技术(Subthreshold Leakage Suppression,SLS)。相比于传统结构振荡器,温度稳定性提升了约38倍。本文基于65 nm CMOS工艺设计了一款RC张弛振荡器,在室温0.4 V的电源电压下,功耗为8.1 nW,工作频率为4.4 kHz,能量效率为1.84 nW/kHz。在-30~90 ℃的范围内,振荡器的温度稳定性为75.1 ppm/℃。
设计了一套低功耗智能监控设备,用于对导弹储运包装箱箱内环境参数进行智能化监控。以ST低功耗芯片STM8L152C8T6为处理器,依托MEMS传感器对导弹储运包装箱箱内的气压、温度、湿度以及振动冲击等关键参数进行监测,并对箱内产品的生产、服务、运输等履历信息进行记录,通过多种通信方式实现数据和监控指令的实时传输。同时,采用低功耗软硬件设计思路实现设备超低功耗运行。实验结果表明,智能监控设备可实现长距离运输、恶劣存储环境下的储运包装箱箱内环境参数的全自动实时监控,通过智能监控设备构成的区域局域网节点间通信距离大于200 m,单次使用寿命大于1年。
本文使用敏捷开发技术设计并改进了SM4算法,在Xilinx FPGA平台完成了实现和验证。针对SM4算法关键路径长、吞吐量较低的缺点,将32个寄存器构成的寄存器组插入轮函数计算过程作为缓存区,采用流水线的方式缩短关键路径和优化S盒模块结构,从而大幅提升了工作频率和吞吐量,分别达到340 MHz和1.2 Gbit/s。同时采用新型高级硬件描述语言BSV进行开发,大幅降低了设计复杂度。与采用Verilog的设计相比,在硬件开销差距不大的情况下性能提升了40%,复杂度降低了60%;与较早前方案相比,资源开销降低了70%,性能提升了1倍,具有较高的应用价值。
