 我司一款产品被市场退货返修，经测试发现产品开机运行一段时间（可能几分钟，或几小时，时间不定）后出现死机，检查硬件电路没有发现异常点，更换MCU后发现问题跟随MCU走，定位问题出在MCU上。在线调试发现，死机时程序进入硬件中断错误，后来对MCU内部SRAM进行反复写入/读取固定值测试发现，其中一个地址的一个Bit值固定为1，无法写0。MCU内部的SRAM出现一个或几个比特（Bit）失效是一个典型的可靠性问题，其原因可以归结为几大类。 简单来说，SRAM比特失效的核心原因是存储该比特值的电路（通常是由6个晶体管组成的6T单元）的稳定性或完整性被破坏，导致无法正确写入或保持数据。 以下是详细的根本原因分析，从制造到应用环节逐一说明： 1. 制造缺陷（先天性问题）这类问题源于芯片制造过程中的瑕疵，通常在芯片出厂前的测试中会被大部分筛出，但仍有极低概率流入市场。颗粒污染：制造过程中微小的尘埃颗粒落在晶圆上，可能导致晶体管栅氧层破损、金属线短路或断路。 光刻异常：光刻工艺出现偏差，导致晶体管沟道长度、宽度等关键尺寸不达标，或金属连线过细/过粗。 接触孔/通孔问题：连接不同层金属的“孔”没有完全刻蚀或填充，造成接触电阻过高或完全断路。 掺杂不均：硅晶圆中掺入的杂质浓度不均匀，导致晶体管阈值电压（Vth）偏离设计值，使其变得过于“迟钝”或“敏感”。 特点：这类失效是永久性的、不可恢复的。一旦出现，特定的bit永远出错。 2. 物理损坏（后天性、永久性）MCU在使用过程中受到外部物理应力而损坏。静电放电（ESD）：操作或安装过程中，人体或工具的静电击穿SRAM单元中极其脆弱的栅氧化层，造成永久的氧化层击穿，形成短路或漏电路径。 电气过应力（EOS）：电源电压异常（如浪涌、电压过高）、电流过大（如短路），导致内部金属连线熔断或晶体管烧毁。 latch-up（闩锁效应）：由于噪声或电流扰动，触发了CMOS工艺芯片固有的寄生晶闸管结构，导致电源和地之间形成大电流通路，从而烧毁电路。 特点：同样是永久性损坏，通常与不当操作或恶劣的电气环境有关。 3. 硅材料的固有失效机制（随时间推移）即使制造完美，芯片在长期使用后也会因物理化学效应而“衰老”。经时介质击穿（TDDB）：栅氧化层在长期电场应力下，会逐渐产生缺陷，最终导致绝缘层被击穿。这是一个累积效应。 热载流子注入（HCI）：高速运动的载流子（电子或空穴）在强电场下获得足够能量，注入并 trapped在栅氧化层中，逐渐改变晶体管的阈值电压，最终导致性能退化或功能失效。 负偏压温度不稳定性（NBTI）：主要影响PMOS晶体管。在负偏压和较高温度下，器件的阈值电压会逐渐漂移（绝对值变大），导致晶体管开关变慢，严重时会使SRAM单元无法翻转。 特点：属于 wear-out（磨损）机制，与时间、温度、工作电压强相关。是产品寿命的决定性因素。 4. 环境与外部因素（随机性、瞬时性或永久性）α粒子/宇宙中子轰击：封装材料中的微量放射性杂质（如铀、钍）会释放α粒子，大气中的宇宙射线会产生高能中子。这些粒子撞击SRAM存储单元，可能引发电子空穴对，改变电容上的电荷，从而导致软错误（Soft Error）。 软错误的特点：非破坏性的、随机的、瞬态的。只需重新写入正确数据即可恢复，不会对硬件造成永久伤害。但发生在关键数据上可能导致程序跑飞。 极端温度： 高温：会加剧上述TDDB、HCI、NBTI等老化效应，同时 leakage电流（漏电流）会显著增加，可能破坏SRAM单元的静态工作点。 低温：可能导致晶体管开关速度变慢，时序错乱。对于依赖漏电流维持数据的超低功耗SRAM，低温下漏电减小反而可能是好事，但极端低温会带来其他未知问题。 5. 设计边际不足（系统性问题）稳定性不足：SRAM单元在设计时，需要平衡读写速度和稳定性。如果设计边际（Design Margin）不足（如读静态噪声容限（SNM）或写容限（WM）不够），在工艺角（Process Corner）波动、电压降低或温度变化时，原本正常的单元可能变得不稳定，从而发生随机性错误。 如何诊断和区分？1. 是否为永久性错误？o 测试：在恒定电压和温度下，反复向特定地址的固定bit写入0和1，并回读。 o 结论：如果每次都在同一个bit位置出错，极有可能是硬错误（Hard Fault），即上述的制造缺陷或物理损坏。 o 如果错误是随机出现在不同位置，则可能是软错误（Soft Error） 或稳定性问题。 2. 电压/温度相关性测试？ o 测试：改变核心电压（Vcore）或环境温度，观察错误行为。 o 结论：如果错误在低压或高温/低温下出现，而在标称条件下正常，则很可能是设计边际不足或老化效应（如NBTI）导致的稳定性问题。 总结与应对策略
对于几个bit的失效，首先要判断是硬错误还是软错误。如果是硬错误，基本意味着该MCU不可靠，需要更换。如果是软错误，则可以通过ECC（Error Correction Code）、定期刷新数据、看门狗 和程序流程中的校验等系统级手段来容错，提高系统整体可靠性。 |
