微波單片集成電路的失效分析方法探討

席善斌，高兆豐，裴 選，尹麗晶，彭 浩，黃 杰

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051; 2.國家半導體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050051）

引言

MMIC(微波單片集成電路，Microwave Monolithic Integrated Circuit)是上世紀70年代后期發(fā)展起來的第三代微波電路，它采用外延、光刻、蒸發(fā)、濺射等半導體工藝把無源器件、有源器件、微波傳輸線和金屬互連線等全部制作在同一塊半導體襯底材料上面，形成具有完整功能的微波電路[1]。由于其設計靈活、元器件密度高、引線和焊點少，具有頻帶范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、宜于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，在通信、雷達、衛(wèi)星等重要領域得到廣泛應用。

然而，這些重要領域一旦出現(xiàn)故障，將會對國民生活和國防建設造成重大影響，確保設備工作的可靠性就顯得尤為必要。作為設備核心電路的MMIC，使用中一旦出現(xiàn)失效，必須查明失效原因，分析失效機理，提出預防和改進措施。由于射頻微波電路的特殊性，對于MMIC開展測試通常需要專用的測試工裝、配備微波測試系統(tǒng)，分析過程可能涉及電、熱、機械和化學等方面的檢查與分析，需要多種精密分析儀器和設備。本文針對微波單片集成電路的特點，采用端口直流電特性測試、電路分析和顯微紅外熱成像定位分析的方法，對一款微波單片混頻器開展了失效分析研究，對失效點進行了物理定位，對分析過程進行了詳細論述。

1 失效分析程序與方法

開展軍用電子元器件失效分析可依據(jù)和參考的標準和方法較多，GJB 3233-98《半導體集成電路失效分析程序和方法》、GJB 3157-98《半導體分立器件失效分析方法和程序》、GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法5003：微電路的失效分析程序均對失效分析方法和程序、QJ 3065.5-98《元器件失效分析管理要求》以及Q/Y 126.13-2014《型號元器件質(zhì)量保證失效分析要求》均進行了相關規(guī)定和要求。

失效分析選擇什么樣的分析程序，分析應該進行到什么階段結束，失效分析人員應根據(jù)器件的可靠性等級、失效機理的復雜程度、失效器件的重要性、實驗室硬件條件、委托單位要求和成本等諸多因素來選擇。GJB 3233-98《半導體集成電路失效分析程序和方法》給出了集成電路的三種等級的失效分析程序供分析人員選擇。本文選擇了基本的失效分析程序和方法，并在此基礎上根據(jù)實際失效情況，增加了個別分析項目，主要的工作項目有：失效發(fā)生—情況調(diào)查—電參數(shù)測試/非功能測試—數(shù)據(jù)核對—外觀鏡檢—失效模式分類—X射線照相—PIND—干燥處理—電測試—解剖—精密觀察內(nèi)部情況—顯微紅外熱成像分析。由于失效混頻器端口直流電特性測試結果顯示為短路或低阻導通特性，考慮到顯微紅外熱像儀擁有空間分辨率2.5μm、溫度靈敏度0.001 ℃的分析能力[2]，在技術上滿足了失效定位的需求，故在樣品開封精密檢測內(nèi)部情況后，利用顯微紅外熱像儀對樣品進行了失效點定位，并獲得了預期效果。

2 微波單片電路特點分析

集成電路具有體積小、集成度高的特點，在線路和版圖設計時很少采用占用面積大的電感、電容元件，且多采用多層布線設計。在進行集成電路的失效分析時，如果要查明失效原因，往往需要獲得產(chǎn)品的電路原理圖。但是，微波單片電路為了減少寄生效應，在版圖設計時往往避免或減少采用多層布線的方法。因此，通過讀取MMIC芯片版圖結構來還原電路原理圖則成為可能。

3 微波單片產(chǎn)品的失效分析案例

微波單片混頻器是實現(xiàn)微波頻率變換的單片集成化功能電路，在輸入端分別注入微波信號與本振信號，在輸出端提取所需的和頻或差頻信號，從而實現(xiàn)頻率變換。典型的二極管雙平衡型無源混頻器電路原理圖如圖1所示，四個二極管首尾相連形成二極管堆，這種電路結構既能達到很高的端口隔離度，又能保證良好的變頻效率。

某型微波單片混頻器在板調(diào)測過程中發(fā)現(xiàn)信號異常，確定該混頻器失效后進行失效分析。失效分析程序按GJB 3233-98中的規(guī)定，此處僅介紹與混頻器失效模式相關的幾個分析環(huán)節(jié)。

3.1 診斷測試檢查

失效混頻器功能性測試不滿足器件手冊規(guī)定要求，為了進一步發(fā)現(xiàn)問題和定位失效端口，采取了對比測試的方法，既選取一只電性能合格的樣品，分別測試合格品和失效品射頻（RF）、中頻（IF）和本振（LO）間的端口直流電特性，然后作對比分析?；祛l器RF-GND、IF1-GND端口直流電特性測試結果如圖2、圖3所示，從對比測試結果可以看出，RF-GND端口合格品表現(xiàn)為開路狀態(tài)，失效品則表現(xiàn)為低阻導通特性（阻值約為16 Ω）；IF1-GND端口合格品表現(xiàn)為典型的肖特基結特性，而失效品則表現(xiàn)為低阻導通特性（阻值約為5.5 Ω）。因此，初步判斷失效品RF、IF1端口存在異常。

圖1 典型雙平衡混合電路等效原理圖

圖2 混頻器RF-GND間端口直流電特性

3.2 粒子碰撞噪聲檢測

粒子碰撞噪聲檢測（PIND）用來檢測失效品腔體內(nèi)部是否存在可動多余物，多余物的存在不僅可造成電路短路，某些情況下還會改變封裝腔體內(nèi)部的電磁場分布，從而對射頻微波信號產(chǎn)生影響，這一故障通過直流電特性測試則無法排除。對失效混頻器的PIND檢查未發(fā)現(xiàn)可動多余物。

3.3 開封檢查

對失效品進行機械開封，失效品內(nèi)部結構完整，引線鍵合及芯片燒結狀態(tài)均未見明顯異常，芯片整體形貌如圖4所示，芯片結構完整，未見擊穿、燒毀、腐蝕等痕跡。

3.4 電路結構分析

因失效品采用了進口單片電路芯片，無法獲得電原理圖，因此需要通過芯片整體形貌還原獲得。用版圖還原必須要識別版圖、了解基本的工藝過程。通過對芯片整體形貌的解讀可知，失效品采用了圖1所示的典型二極管雙平衡型無源混頻器電路結構，為了避免射頻信號互感及耦合效應使分析問題復雜化，故對RF、IF1端口存在異常的線路進一步簡化獲得的直流等效電路如圖5所示。

圖2中失效品RF-GND間直流電特性測試結果為低阻導通特性，而非合格品所示的開路特性，說明兩個電容至少有一只發(fā)生短路；圖3中失效品IF1-GND間直流電特性測試結果為低阻導通特性，而非合格品所示的肖特基結特性，說明并聯(lián)的二極管、電容中至少有一只也發(fā)生了短路現(xiàn)象。

3.5 失效定位檢測

分別對合格品、失效品可疑端口施加直流偏置，利用顯微紅外熱像儀進行了紅外熱成像檢查，獲得的結果如圖6、圖7所示。

圖3 混頻器IF1-GND間端口直流電特性

圖4 失效品內(nèi)部芯片整體形貌

圖5 RF-GND、IF1-GND間直流等效電路

直流電偏置狀態(tài)下，圖6（a）所示合格品RF-GND間的兩只電容紅外熱成像溫度未見明顯變化，可以認為電容不發(fā)熱，無電流通過；圖6（b）所示失效品RFGND間的兩只電容紅外熱成像圖則明顯存在高溫現(xiàn)象，故認為RF-GND兩只電容均存在異常。

直流電偏置狀態(tài)下，圖7（a）所示為合格品IF1-GND間兩只二極管正向導通后引起的溫度變化，電容未見明顯溫度變化；圖7（b）所示失效品RF-GND間的電容存在顯著高溫現(xiàn)象，說明電容存在導電通道，兩只并聯(lián)二極管被電容短路而無法開啟結特性，故溫度未見明顯變化。

圖6、圖7所示顯微紅外熱成像結果與圖2、圖3測試結果相吻合，失效點得到了準確定位，定位的失效點形貌分別如圖8（a）、圖8（b）所示。

3.6 結論與分析

通過以上檢查和分析，認為該微波單片混頻器失效為電容對地短路所致。

造成電容對地短路的原因應為過電應力引起的電容擊穿。失效電容表面觀察未見明顯異常，說明導致電容擊穿的能量較小。因此，混頻器失效應為靜電放電損傷或其它窄脈沖電壓所致。

借助顯微紅外熱成像的方法，對于分析端口呈現(xiàn)低阻導通的微波電路失效來說，是一種行之有效的失效定位手段。如果委托單位需進一步分析，還可以利用聚焦離子束（FIB）對定位的失效點開展進一步的剖面分析和電鏡檢查工作。

4 總結

失效分析工作要根據(jù)產(chǎn)品特點具體分析，要遵循失效分析工作程序，還應理解每步工作的目的和作用，針對具體產(chǎn)品，找到適合該產(chǎn)品的設備和方法。針對微波單片電路，遵循集成電路失效分析程序，但具體方法有如下不同，以取得預期效果：

1）集成電路的失效分析一般需要昂貴的微光顯微鏡、掃描電子顯微鏡設備對失效的IC芯片進行檢查和定位，本文采用顯微紅外熱像儀對失效點進行了定位，用紅外熱像儀不必將樣品置于真空腔內(nèi)，使樣品加電更為方便；

2）對于微波單片電路類的產(chǎn)品，電路相對簡單，可通過芯片形貌還原電原理圖。根據(jù)原理圖和測試結果，可初步判斷失效的部位與現(xiàn)象，為下一步定位提供參考。同時也可以從原理上解釋失效現(xiàn)象與測試結果的關系；

圖6 混頻器RF-GND間顯微紅外熱成像

圖7 混頻器IF1-GND間顯微紅外熱成像

圖8失效點形貌

3）微波電路理圖可根據(jù)需要只做與失效相關的端口直流電路還原。

[1] 吳曉燕, 龐宏, 文光俊. MMIC毫米波倍頻器的研究[J]. 電子工程師, 2007, 33(4):10-13.

[2] GJB 3233-98半導體集成電路失效分析程序和方法[S].

[3] 吳愛華, 梁法國, 鄭世棋, 等. 微電子器件溫度分布測試技術研究[J]. 計算機與數(shù)字工程, 2010，38(9):35-37.

[4]總裝備部.電子信息基礎部. 軍用電子元器件[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009:57.