工業(yè)生產(chǎn)中集成電路失效分析案例解析

郭宇楠，王佳男，丁 寧

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.北方重工集團有限公司工程成套分公司，沈陽110141）

工業(yè)生產(chǎn)中集成電路失效分析案例解析

郭宇楠1，王佳男2，丁 寧1

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.北方重工集團有限公司工程成套分公司，沈陽110141）

針對工業(yè)生產(chǎn)領域集成電路在使用中出現(xiàn)失效的問題，結合國產(chǎn)某型號厚膜集成電路和國產(chǎn)某重點型號大型盾構設備主控系統(tǒng)電路板的失效分析過程，介紹了工業(yè)生產(chǎn)中集成電路失效分析的方法和流程，并給出了具體分析思路，詳細論述了失效分析過程。通過對失效現(xiàn)象的分析定位故障點，找出引起失效的原因并給出預防措施。失效分析工作既可以幫助集成電路企業(yè)糾正設計、生產(chǎn)和測試過程中的問題，也可以協(xié)助集成電路使用者發(fā)現(xiàn)使用過程中存在的不合理性，提高集成電路研發(fā)和使用雙方的整體技術能力。

集成電路；厚膜集成電路；盾構設備；失效分析

1 引 言

集成電路是國家裝備制造產(chǎn)業(yè)領域的核心，在各類工業(yè)設備的生產(chǎn)、裝配和使用過程中集成電路發(fā)生失效不可避免。隨著工業(yè)領域對整機產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，失效分析工作顯得愈發(fā)重要。失效分析就是了解失效現(xiàn)象、判斷失效模式、定位發(fā)生失效的故障點、查找失效原因、弄清失效機理、預防類似失效情況再次發(fā)生。

2 失效分析案例一

2.1 失效現(xiàn)象

國產(chǎn)某型號厚膜集成電路應用于中航某飛行控制設備之中，每臺飛行控制設備中使用1片該型號國產(chǎn)厚膜集成電路。生產(chǎn)線共裝配飛行控制設備35臺，裝配完成后對飛行控制設備進行測試，測試過程提示1臺飛行控制設備通訊故障。

現(xiàn)場對這臺故障設備進行測試分析［1］，發(fā)現(xiàn)該設備中負責通訊的輸出端無輸出信號，此輸出端與國產(chǎn)厚膜集成電路的7號引腳相連。首先對發(fā)生失效的厚膜集成電路進行拆機更換并對設備重新測試，發(fā)現(xiàn)故障設備工作恢復正常，可以排除此設備電路板、電源、傳輸線和通訊接口的問題，將拆機的厚膜集成電路裝配到其它設備中，通訊故障現(xiàn)象可以復現(xiàn)，判斷是該厚膜集成電路發(fā)生失效。

2.2 故障定位

該厚膜集成電路的內(nèi)部電路原理圖顯示，7號引腳是與厚膜集成電路內(nèi)部的80C196KC裸芯片AD11／P4.3引腳［2］相連接，初步判斷是80C196KC裸芯片的AD11／P4.3引腳發(fā)生了失效引起該厚膜集成電路的失效。先對該厚膜集成電路進行無損失效分析，包括外觀檢查和X射線檢查［3］，發(fā)現(xiàn)該厚膜集成電路外觀完好，X射線無損檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鍵合絲無熔斷，鍵合絲X射線無損檢測如圖1所示。

進一步對該厚膜集成電路進行開蓋處理，利用電子顯微鏡觀察內(nèi)部的陶瓷基板、80C196KC裸芯片、鍵合點、鍵合絲，發(fā)現(xiàn)陶瓷基板表面無明顯燒蝕痕跡，鍵合絲完整無熔斷損壞。對80C196KC裸芯片AD11／P4.3引腳的鍵合區(qū)仔細觀察發(fā)現(xiàn)，AD11／P4.3引腳鍵合區(qū)左右肩的細鋁條均燒熔形成斷路，25μm鍵合金絲及鍵合點均正常，如圖2鍵合區(qū)左右肩細鋁條熔斷所示。經(jīng)過仔細觀察只發(fā)現(xiàn)了80C196KC裸芯片AD11／P4.3引腳這一處有細鋁條熔斷現(xiàn)象，其它位置無熔斷現(xiàn)象。因此可以判斷是由于80C196KC裸芯片AD11／P4.3引腳鍵合區(qū)左右肩的細鋁條熔斷引起了該厚膜集成電路失效。

圖1 鍵合絲X射線無損檢測

圖2 鍵合區(qū)左右肩細鋁條熔斷

2.3 失效原因

引起該厚膜集成電路失效的原因有三個：①裝配過程中的靜電擊穿；②裸芯片表面沾污；③閂鎖效應。

2.3.1 裝配過程的靜電擊穿

整機裝配環(huán)節(jié)未做好靜電防護工作，靜電從外引腳引入厚膜集成電路內(nèi)部，引起內(nèi)部80C196KC裸芯片的靜電損傷。這種失效發(fā)生在整機裝配過程中，通電測試之前該厚膜集成電路就已經(jīng)因靜電損傷發(fā)生失效。

2.3.2 裸芯片表面沾污

80C196KC裸芯片表面沾污也會引起鍵合區(qū)損傷。但在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，厚膜集成電路生產(chǎn)廠商會對每一顆裸芯片進行目檢，篩選出表面有沾污的裸芯片，因此受污染的裸芯片并不會流入用戶終端市場。

2.3.3 閂鎖效應

ESD和相關的電壓瞬變都會引起閂鎖效應［4］，是半導體器件失效的主要原因之一。如果有一個強電場施加在半導體器件結構中的氧化物薄膜上，則該氧化物薄膜就會因介質(zhì)擊穿而損壞，很細的金屬化跡線會由于大電流而損壞。并會由于浪涌電流造成的過熱而熔斷形成開路。在閂鎖情況下，器件在電源與地之間形成短路，產(chǎn)生大電流，造成半導體器件損壞。

2.3.4 預防措施

裝配過程中的靜電擊穿和閂鎖效應是引起該厚膜集成電路失效的主要原因，因此在整機裝配過程中必須嚴格執(zhí)行防靜電操作規(guī)程。

1.厚膜集成電路的焊接操作應在防靜電的工作臺上進行；

2.在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過規(guī)定電壓；

3.電源輸入端加去耦電容，防止VDD端出現(xiàn)瞬間高電壓；

4.在VDD和外電源之間加限流電阻，即使有大電流也不讓它流入電路內(nèi)部；

5.當系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關要按下列順序：開啟時，先開啟CMOS電路的電源，再開啟輸入信號和負載的電源；關閉時，先關閉輸入信號和負載的電源，再關閉CMOS電路的電源；

6.厚膜集成電路應存放在防靜電材料制成的容器中；

7.生產(chǎn)、測試、使用及流轉過程中，厚膜集成電路應避免接觸能引起靜電的塑料、橡膠或絲織物；

8.焊接、裝配和測試設備應嚴格接地。

3 失效分析案例二

3.1 失效現(xiàn)象

國產(chǎn)某重點型號大型盾構設備的主控系統(tǒng)板采用國產(chǎn)LT35063A組成升壓DC／DC變換器［5］。國產(chǎn)LT35063A單片DC／DC變換器控制電路可以替代美國Motorola公司的MC35063A電路，只需配用少量的外部原件，就可以組成升壓、降壓、電壓反轉DC／DC變換器。

LT35063A升壓電路連接方式如圖3升壓DC／DC變換器所示。主控室控制箱內(nèi)的每塊控制子板使用1片LT35063A，其中1塊控制子板完成裝配后在加電測試環(huán)節(jié)發(fā)生失效。加電測試發(fā)現(xiàn)LT35063A輸出電壓超過系統(tǒng)的設計值，觸發(fā)控制子板斷電保護而失效。測試發(fā)現(xiàn)當LT35063A輸入電壓從16V下降到10V，輸出電壓上升到40V以上，最高可達50V，輸入電壓從10V下降到5V，輸出恢復到36V；此時不重新上電，只調(diào)高輸入電壓。當輸入電壓大于10V時，輸出端又出現(xiàn)高電壓，且不能恢復。當輸入電壓升高到16V時，輸出電壓達到60V左右，需要穩(wěn)定3-5秒之后才能恢復到36V，此刻如果重新上電，輸出電壓則恢復正常。

圖3 升壓DC／DC變換器

3.2 故障定位

首先對發(fā)生失效的控制子板上的LT35063A進行拆機更換，更換后原故障現(xiàn)象無法消除。對之前拆機的LT35063A進行復測，發(fā)現(xiàn)該片LT35063A工作正常，初步判斷是控制子板故障引起LT35063A失效。

該控制子板上電阻、電容、電感、二極管的選型均嚴格參照原理圖中標注的型號。其中，100μF和330μF電容采用100V耐壓工業(yè)級電解電容器，1500pF電容采用直插式工業(yè)級獨石電容器，電感采用國產(chǎn)170μh工業(yè)級銅線繞制直插式電感器，二極管采用國產(chǎn)工業(yè)級1N5819［6］，0.22歐姆大功率電阻采用工業(yè)級2W功率電阻，其他電阻采用工業(yè)級1／4W直插電阻。

對該控制子板上能夠引起輸出電壓過高的國產(chǎn)170μh工業(yè)級銅線繞制直插式電感器、國產(chǎn)工業(yè)級1N5819二極管進行拆機測試，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)級1N5819二極管的實測參數(shù)不滿足規(guī)范要求。對該控制子板上的國產(chǎn)工業(yè)級1N5819二極管進行更換，同時對該控制子板進行重新測試，發(fā)現(xiàn)該控制子板及之前失效的LT35063A電路均工作正常。再將拆機的國產(chǎn)工業(yè)級1N5819二極管重新裝回該控制子板，之前的故障現(xiàn)象可以復現(xiàn)。因此可以判斷是國產(chǎn)工業(yè)級1N5819二極管發(fā)生失效引起了該控制子板故障。

3.3 失效原因

國產(chǎn)工業(yè)級1N5819二極管的供貨廠商，在其產(chǎn)品供貨前未能將已失效的1N5819二極管篩除，同時在控制子板裝配前，用戶單位也未對該二極管進行二次篩選。

3.4 預防措施

1.國產(chǎn)重點型號設備的元器件供貨廠商，應對出廠元器件產(chǎn)品嚴格按照國家工業(yè)級元器件產(chǎn)品標準和規(guī)范進行篩選；

2.用戶單位在整機設備裝配前，應對采購的元器件進行二次篩選。

4 結束語

通過對2個失效分析案例的解析，詳細論述了集成電路失效分析工作的思路和流程，可以幫助相關工業(yè)企業(yè)技術人員了解常用集成電路失效分析的技術和方法。隨著集成電路在我國工業(yè)產(chǎn)品中的廣泛應用，集成電路失效分析工作在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面將扮演越來越重要的角色。

［1］ 劉存.自動測試與應用系統(tǒng)［M］.沈陽：東北大學出版社，1994.Liu Cun.Automatic Testing and Application System［M］.Shenyang：Northeastern University Press. 1994.

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［3］ 關旭東.硅集成電路工藝基礎［M］.北京：北京大學出版社，2003. Guan Xudong.Silicon Integrated Circuit Foundation［M］. Beijing：Peking University Press，2003.

［4］ 李桂宏，謝世健.集成電路設計寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006. Li Guihong，Xie Shijian.IC Design Valuable Book［M］. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

［5］ 康華光.電子技術基礎·模擬部分［M］.北京：高等教育出版社，2006. Kang Huaguang.Fundamentals of Electronics Technique. Analog Part［M］.Beijing：Higher Education Press，2006.

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Analysis and Discussion of IC Failure Analysis Cases in Industrial Production Fields

Guo Yunan1，Wang Jianan2，Ding Ning1
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.The Northern Heavy Industries Group Co.，Ltd.，Engineering EPCCompany，Shenyang 110141，China）

Aiming at the failures of the integrated circuits which are used in industrial production fields，the specific thinking is given，the failure analysis processes are discussed in detail，and the methods and procedures of the integrated circuits，with the failure analysis processes of the domestic thick film integrated circuit and themain control system circuit board of the domestic large shield machine，are introduced.By analyzing the failure phenomena，the faults are located and the causes and the precautionarymeasures are found.Failure analysis can help IC design enterprises to correct the problems in design，production and testing，and help users to detect the unreasonable parts and improve the techniques of the IC design enterprises and users.

Integrated circuit；Thick film integrated circuit；Shield machine；Failure analysis

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.003

TN4

A

1002-2279（2016）06-0009-03

郭宇楠（1985-），女，遼寧省鞍山市人，學士學位，助理工程師，主研方向：計算機應用。

2016-03-15