在过去的50年里，电子行业发展迅速，性能和成本的提高使得半导体日子里任何人都可以想象的功能超越了任何人的想象。
最近已经有50年历史的集成电路（IC）毫无疑问是有史以来最伟大的发明之一。 这项技术改变了我们的世界，在我们的文明中无处不在。 但是，IC有可能影响长期可靠性的漏洞，导致使用它们的系统过早失效。
这些漏洞对国防工业尤其重要，因为军方使用的大多数设备都包含IC。 但军方只有一位需要长期可靠性的用户。 工业控制系统（如可编程逻辑控制器（PLC））预计将在恶劣的环境中运行，并且几十年来不间断运行。 这些系统运行我们的基础设施，为数百万人提供能源，清洁饮用水和卫生设施以及商品和服务。
汽车行业几乎与汽车中的IC一样，在发动机控制器，防抱死制动系统，底盘控制系统，变速器以及驾驶员舒适性和辅助系统中使用IC。 许多这些系统（如气囊）对乘客安全至关重要，因此可靠性至关重要。 但是，当汽车制造商一年生产数百万辆汽车时，由于部件过早失效而召回的经济影响可能是毁灭性的。
追求可靠IC的原因有很多。 但为什么他们失败了？ 可以采取哪些措施来提高可靠性以及成本如何？
为什么IC失败？
制造集成电路的过程可以揭示可能导致过早失效的因素。 大多数IC以纯硅基底晶圆开始，通过各种方法制造（切拉斯基拉，水平梯度冷冻等）。 晶体结构的纯度对于构建在顶部的电路的性能非常关键，因此通常在晶圆上沉积纯硅的外延层。
在整个构建层的过程中，其沉积会改变电特性和注入离子的杂质（例如掺杂），热用于扩散原子或退火晶片以固定晶体中的位错。 一旦完成，所有这些杂质，氧化物和金属痕迹都需要保留。 但是，热运动可以像它在制造过程中那样移动它们。 由于这个原因，升高的温度会降低IC，并且是可靠性等式的一部分。
另一个现象是金属迁移，通常称为电迁移。 这是由于电流引起的电子风造成的金属导体的移动。 高电流密度的器件更容易出现这个问题。 随着IC几何尺寸缩小，导电迹线中的电流密度也会增加。 这种增加的电流密度会导致金属迁移，从而导致短路或开路连接，这取决于金属在电路中的移动位置以及多少。
用于IC设计的现代计算机工具将这种影响考虑在内，并能正确确定导体的尺寸和空间，以尽量减少这种类型的故障。 但是，效果是真实的，并且只要电路处于运行状态，效果就会持续。
为了估计由于电迁移导致的IC的平均失效时间（MTTF），摩托罗拉的James Black在1969年开发了一个经验模型，现在称为Black方程：
其中A是常数，j是电流密度，n是模型参数，Q是活化能，k是玻尔兹曼常数，T是温度。
布莱克方程不是一个物理模型，而是一个抽象结构，可以估算由于电迁移（基于高温下获得的经验数据）导致的MTTF，然后在标称工作温度下应用。它足够灵活，可以考虑材料和电气应力（电流密度），但不考虑其他故障机制。由于这种限制，高MTTF值是可疑的，不能准确预测故障率，但它们确实提供了电迁移故障的一些指示。
自一开始就困扰电子行业的一个奇怪问题是锡须增长。自从电子管时代以来，锡（原子符号Sn）就被用作电子元件的焊料和互连涂层。纯锡（或几乎纯锡）的使用导致小的晶须状金属毛垂直于表面生长并且可以延伸出许多毫米，容易到达相邻的连接。即使在没有电场的情况下或长期储存时也会发生这种现象。
在焊料中添加很少量的铅（Pb）显着减慢了生长过程。但鉴于消费者电子产品中含铅的消除，这个问题重新回到了生产无铅焊料的军事和公司。
集成电路还容易受到各种类型的电离辐射的影响，例如从半导体材料（电离）原子或高速粒子（或中子粒子等亚原子粒子）剥离电子的γ或X射线，并具有足够的能量来置换原子他们自己。这种影响可能发生在有辐射的地方。然而，由于大气的损失（在到达IC之前相互作用的原子较少），或者超出磁层，地球磁场偏转从太阳流出的高能带电粒子（以及其他宇宙源）。辐射可能会导致暂时故障或永久性损坏IC，具体取决于能量水平和暴露时间。
最后，还有用于保护和互连IC的封装。封装可能非常复杂，与包含的IC一样广泛。它们通常由导电合金引线框架制成，该框架容纳IC裸片（或裸片），并提供将其连接到引线框架（倒装芯片直接裸片附着或金属线）的一些机制。引线框架组件用各种材料（如环氧树脂或陶瓷）封装，以保护IC引线框架组件并提供机械稳定性。
封装可能有许多不同的失效模式，包括气密性的丧失（允许污染模具），机械故障（如分层或开裂）等等。
可靠性选项
为确保质量的统一，国防工业在20世纪70年代制定了各种标准。联合陆军海军（JAN）特别小组推出了军用通用标准38510（MIL-M-38510）以及标准测试方法883（MIL-STD-883）。为了符合资格，制造商必须将设备候选人提交给军事部件控制顾问组（MPCAG）。一旦批准，它们将被列为国防工业设计师的合格来源，其中包括定期审核以确认合规性。额外的测试和筛选大大增加了成本，但保证了恶劣军事环境所需的性能和可靠性。
在二十世纪八十年代，在军事系统故障增加的情况下，半导体制造商要求政府改进这一过程。 1986年，美国国防部长根据国防电子供应中心（DESC）在20世纪70年代末完成的先前工作，宣布了微型电路的标准化军事绘图（SMD）计划。这一新计划对现有文件增加了各种要求，并与制造商就合规性进行了重新谈判。今天，SMD计划在整个国防工业中得到了广泛应用，并提供了一种统一且经济高效的方式来采购高可靠性设备。
随着汽车行业开始使用更多的IC，质量和可靠性成为更大的问题。在20世纪80年代初，克莱斯勒，福特和德科电子（通用汽车的一个部门）组建了汽车电子委员会（AEC）。 AEC制定了多项标准，其中最引人注目的是AEC-Q100，该标准规定了IC的压力测试资格。 Q100规格与其军表兄弟有相似之处，但是考虑到汽车行业的经济性。今天，大多数IC制造商都提供符合Q100标准的组件，它们是标准工业设备的完美替代品，可以提高可靠性并降低成本。
增强（塑料）产品
在21世纪初期，军事和国防工业开始试图降低电子系统的成本。 他们向制造商咨询如何提供仍然能够在恶劣环境下运行的高质量可靠部件，但成本更低。
该表比较了各种半导体器件资格。
德州仪器（TI）与其他供应商一起对高可靠性塑料设备（EP）或增强塑料（参见图）的系列产品做出了回应。例如，TPS7A4001-EP是商用TPS7A4001高输入电压低压差（LDO）稳压器的增强型版本。 EP版本与商用设备具有相似的规格，但提供了扩展的军用温度范围（-55°C至+ 125°C），金键合线以及不含纯锡以减缓晶须生长。
EP产品系列还增加了可追溯性和其他一些可靠性增强功能，例如改进芯片连接，以减轻分层。设备遵循与Q100类似的流程，但使用可控制的基准线，以确保晶圆批次之间更均匀的性能。其他供应商提供遵循类似流程的EP产品，与经济地提供高可靠性的概念相同。
国防工业面临的另一个主要问题是过时。由于政府如何订购系统，产品可能会停留20年以上。许多消费产品的生产周期为六个月至几年（如手机）。如果一个组件在几百万单位的生产运行后不再可用，那么这个问题就不那么严重了。然而，军事系统可能非常复杂，并且由于过时而重新设计可能是昂贵的。
由于EP产品遵循单一流程，即使在商用设备不再可用的情况下，EP设备的寿命也会更长。所以，虽然EP设备的性能也有所提高，但可用性也是如此。
EP产品的推动不仅受到军方的推动，也受到工业市场的推动。许多工业系统必须在恶劣的环境中工作，并且可靠性在几十年内测量。诸如发电厂，水处理设施，生产基地等许多应用都依赖于持续运行的计算机化控制，并且常常需要关闭系统来更换。这些系统还可以从EP中受益，这些EP可随时间增加额外的可靠性 - 特别是在需要长使用寿命的情况下。
高可靠性的未来
随着空间变得更容易接近，尤其是对于低地球轨道（LEO），卫星（特别是更小的有效载荷，例如立方体卫星）的成本是主要关注的问题。国防工业和商业太空系统供应商都在寻求一种类似EP的产品，用于短使命应用（如LEO）。所以想象一个类似EP的家族，但已知耐辐射 - 进入EP（SEP）空间。
如图所示，SEP介于QMLQ（合格制造商名单：空间）和QMLV（合格制造商名单：Hermetic）质量水平之间，但使用塑料包装。它的目的是通过辐射测试和放心，但是取消了昂贵的老化和晶圆批次寿命测试以控制成本。由于许多LEO应用持续三年或更短时间，SEP是一种经济妥协方式，可用于成本更高的QMLV完全符合空间要求的设备，用于较长时间的任务或更高的辐射水平。 SEP填补了消费型低成本卫星和非战略辐射应用的空白，例如高空无人机（UAV）。
结论
没有可靠的电子产品，我们的世界将会看起来非常不同自从IC的发明以来，半导体行业在提高即使是最常见的设备的可靠性方面也取得了很大的进步。随着我们迈向21世纪，对性能和可靠性的更高水平的要求将继续扩大供应商产品组合，使用增强型产品既经济又可靠。
太空将推动更高水平的可靠性，增加辐射和高空要求。半导体工艺的物理学继续向超小型转变，同时继续减轻原子尺度的失效机制。这是成本和绩效之间永无止境的战斗; EP和SEP等组件系列将填补所需的可靠性与成本差距。
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