智能電能表用計(jì)量芯片失效分析研究

張蓬鶴，薛 陽，張起豪

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

功能豐富的智能電能表是支撐智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，多功能的需求對計(jì)量芯片提出了集約化、模塊化的要求。智能電能表在實(shí)際運(yùn)行中的技術(shù)特性主要取決于計(jì)量芯片的特性。計(jì)量芯片屬于混合集成電路，包括數(shù)字模塊和模擬模塊，模擬電路的電源隔離、精度及抗干擾問題決定了計(jì)量芯片的整體性能。

由于環(huán)境的差異將導(dǎo)致智能電能表的計(jì)量不準(zhǔn)確，其根本在于計(jì)量芯片測量的不準(zhǔn)確，實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了計(jì)量芯片失效的現(xiàn)象，通過對失效現(xiàn)象的分析和改進(jìn)，有助于提高計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝[1]。本文通過對計(jì)量芯片進(jìn)行失效分析，提出失效分析的方法及流程，可以幫助設(shè)計(jì)人員找到設(shè)計(jì)上的缺陷、工藝參數(shù)的不匹配或設(shè)計(jì)與操作的不當(dāng)?shù)葐栴}，并對企業(yè)生產(chǎn)過程中工藝控制提出建議。

1 失效分析的方法及流程

1.1 失效模式

根據(jù)失效率浴盆曲線，芯片失效可分為早起失效、偶然失效和耗損失效。早期失效是浴盆曲線的盆邊，失效率較高，早期失效的失效因素較簡單，有一定的普遍性。不同批次，不同晶體，不同工藝的元器件其早期失效的延續(xù)時(shí)間，失效比例是不同的。嚴(yán)格的工藝操作和工序檢驗(yàn)，可以減少這個(gè)階段的失效。給予適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，進(jìn)行合理的篩選，可使元器件在正式使用時(shí)早把早期失效的元器件剔除掉，使元器件的失效率達(dá)到或接近偶然失效的較高可靠性水平。浴盆曲線的盆底平坦段是偶然失效階段。此階段失效率低且變化不大，近似為常數(shù)，是元器件較好的使用期[2]。偶然失效時(shí)電子元器件中多種不很嚴(yán)格的偶然失效因素發(fā)生的失效。耗損失效時(shí)電子元器件由于老化，磨損，損耗，疲勞等帶有一定全局性的原因造成的失效。此時(shí)元器件進(jìn)入嚴(yán)重的損傷期，失效率隨時(shí)間的延續(xù)而明顯上升。

圖1 失效率浴盆曲線

1.2 計(jì)量芯片失效分析流程

通過失效分析模式的確定，深入分析失效的機(jī)理，本文提出失效分析的一般方法及流程。

（1）數(shù)據(jù)的收集與分析

在完成現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)收集報(bào)告和使用者報(bào)告后，從失效元器件所處的產(chǎn)品的使用環(huán)境，工作條件，及它與產(chǎn)品中其他組件的功能聯(lián)系，較準(zhǔn)確的判斷失效根源所在。

（2）失效現(xiàn)象的觀察和判定

在確定是元器件本身失效問題后，根據(jù)觀察到的現(xiàn)象(包括失效部位，顏色，大小，形狀等)判定失效的可能部位和原因，明確要詳細(xì)分析的目的[3]。

（3）假定失效機(jī)理

由失效現(xiàn)象出發(fā)，結(jié)合元器件的基本理論，材料至工藝的特征，基于失效物理和失效分析事例及經(jīng)驗(yàn)，對若干失效原因，提出失效機(jī)理的假定。

（4）失效機(jī)理的驗(yàn)證

按照失效分析程序，從外部分析到內(nèi)部分析，同時(shí)進(jìn)行事宜的非破壞性檢測到半破壞性檢測至全破壞性檢測和分析。適用時(shí)還可以進(jìn)行一些理論分析項(xiàng)目：X 射線形貌分析，各種電子和紅外的顯微分析等[4]。因元器件的技術(shù)領(lǐng)域不同有所側(cè)重，可根據(jù)假定的失效機(jī)理采用必要的分析儀器，最終認(rèn)定并驗(yàn)證失效的機(jī)理。

（5）總結(jié)

將結(jié)過匯成失效分析報(bào)告，有可能提出研討的問題及改進(jìn)措施。將報(bào)告寫成事例，一并存入數(shù)據(jù)庫，供信息資源的充分利用。

失效分析系統(tǒng)方法及流程主要分為無損檢測和有損檢測[5]。對于芯片首先進(jìn)行電性能測試，確定大致失效點(diǎn)及初步判斷失效模式；其次進(jìn)行無損檢測，進(jìn)一步判斷失效模式；再次進(jìn)行有損檢測，確定失效模式，并驗(yàn)證假設(shè)失效模式[6]。

2 電性能測試

選取同一批次生產(chǎn)的兩顆SOP24 計(jì)量芯片，進(jìn)行外觀檢查，確保其外形無磨損，pin 腳完好，分別標(biāo)記為樣品A 和樣品B。將樣品B 進(jìn)行125℃高溫存儲96h，試驗(yàn)后對兩者進(jìn)行采樣通道試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)有差異，初步判斷樣品B 在高溫存儲試驗(yàn)后出現(xiàn)功能失效現(xiàn)象[7]。

AVdd-AGND pin 腳在施加正向電壓時(shí)，樣品A 和樣品B 電流偏差較大，而DVdd-DGND pin 腳在施加正向、反向電壓，樣品A 和樣品B 的電流基本重合[8]。進(jìn)一步判定失效點(diǎn)出現(xiàn)于AVdd pin腳，需進(jìn)行無損檢測、有損檢測，通過觀察，確定失效模式[3]。

3 失效模式驗(yàn)證

3.1 無損檢測

根據(jù)電性能檢測結(jié)果，對兩個(gè)樣品進(jìn)行SAT 檢測，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。GOOD 為樣品A，F(xiàn)AIL 為樣品B，由圖2 可知，樣品B 的AVdd pin 腳處有氣泡，判斷芯片封裝存在缺陷，可導(dǎo)致芯片電性能失效。對兩個(gè)樣品進(jìn)行X-Ray 檢測，未發(fā)現(xiàn)金線斷裂、焊點(diǎn)不牢等缺陷，判斷芯片內(nèi)部無缺陷。將芯片失效模式初步判定為封裝由于存在氣泡導(dǎo)致缺陷。

圖2 SAT 檢測結(jié)果

3.2 有損檢測

根據(jù)SAT 檢測結(jié)果，對缺陷部位進(jìn)行開封，以觀察并驗(yàn)證失效模式。對芯片進(jìn)行Polish 檢測，在AVdd pin 腳邊緣發(fā)現(xiàn)氣泡。進(jìn)一步判定失效模式為芯片封裝存在氣泡[9]。利用EMMI 檢測捕捉熱點(diǎn)，檢測芯片內(nèi)金線連接是否存在缺陷，。樣品A 盒樣品B的熱點(diǎn)位置一樣，并無明顯差異，因此根據(jù)以上分析，確定芯片失效模式為封裝層內(nèi)存在氣泡導(dǎo)致電性能發(fā)生改變[10]。

圖3 EMMI 檢測結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)本文失效分析案例，樣品B 在進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，可能有水汽進(jìn)入芯片氣泡中，導(dǎo)致芯片出現(xiàn)損傷而漏電，從而對芯片的安全以及計(jì)量的準(zhǔn)確性造成隱患。計(jì)量芯片的工藝決定了芯片的性能，因此建議廠家對工藝條件和參數(shù)提高要求，掌握工藝參數(shù)偏差對產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定性的影響程度，明確每一工藝最佳控制點(diǎn)和允許的偏差范圍。當(dāng)正常運(yùn)行的電能表計(jì)量芯片出現(xiàn)性能偏差時(shí)，根據(jù)本文提及的失效分析方法，逐步找到失效模式，并反饋至生產(chǎn)線，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高電能表質(zhì)量。

[1]李永軍，徐曉蓉，靳永強(qiáng)，王海龍，陳立家.基于XCS10 的高精度多功能時(shí)間校驗(yàn)儀系統(tǒng)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2012,33(1),113-116 Li Yongjun,Xu Xiaorong,Jin Yongqiang,Wang Hailong,Chen Lijia.System of High-precision Multi-function Time Calibrator Based on XCS10[J].Journal of Zhengzhou University：ENG SCI,2012,33(1),113-116

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[3]（日）小栗富士雄，小栗男逹，機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌手冊。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989

[4]鄭福元等編著，厚薄膜混合集成電路，科學(xué)出版社，1984

[5]（日）鹽見弘等，陳祝同譯，失效分析及其應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988

[6]（美）James J.Licari,leonard R.Enlow,朱瑞廉譯,混合微電路技術(shù)手冊，北京：電子工業(yè)出版社，2004

[7]莊奕琪，微電子應(yīng)用可靠性技術(shù)，北京：電子工業(yè)出版社，1994

[8]中國軍用電子元器件管理中心編，軍用電子元器件應(yīng)用可靠性，1994

[9]王錫吉，可靠性工程—設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、分析、管理。北京：宇航出版社，1989

[10]肖德輝編著，可靠性工程，北京：宇航出版社，1985