某型號八位微控制器失效類型分析

王天暢，李岳林

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000；2.大連交通大學電氣信息工程學院，大連116028）

1 引 言

某型號八位微控制器電路，作為一款高效率的CMOS 微控制器芯片，采用了高密度非易失性存儲器（Non-Volatile Memory, NVM）工藝制造，在單芯片上具有集成了高效的標準MCS-51 指令系統(tǒng)的八位CPU。該CPU 支持6 時鐘和12 時鐘模式。芯片內(nèi)部含有 64 kByte 的 ISP（In-System Programmable）和IAP（In-Application Programmable）Flash 以及 1 kByte RAM。片上Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程和在應用可編程，ISP 功能允許用戶在線下載新的程序，而IAP 則允許用戶在應用時獲取和更新程序。

在使用某型號八位微控制器的過程中出現(xiàn)過很多導致器件失效的問題，從整體來看可以分成器件外部損傷、內(nèi)部軟件缺失、器件內(nèi)部損傷三大類。器件的外部損傷主要包括管腳損傷與沾污，被沾污或損傷的管腳在實際應用中會出現(xiàn)接觸不良的情況，導致器件的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至根本無法工作；內(nèi)部軟件缺失主要指未燒錄驅(qū)動程序，這會使得器件無法驅(qū)動，不能進入工作狀態(tài)；器件內(nèi)部損傷主要指靜電擊穿和浪涌這種過電應力對器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷的情況，這會導致器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，難以正常工作。

針對這些問題，需要進行失效分類和失效機理分析，應用正確的失效分析方法，形成排查糾正措施，以期更快速有效地解決問題。

2 電路結(jié)構(gòu)

某型號八位微控制器功能框圖如圖1 所示，主要由CPU、存儲器和外設等部分構(gòu)成。其中存儲器有64kByte Flash 和1kByte SRAM；外設有全雙工增強型通用異步接收機、計數(shù)器0/1/2、可編程邏輯陣列、看門狗、可配置I/O 端口0/1/2/3 和振蕩器。該八位微控制器能夠方便地組裝成智能式測控設備、各種智能儀表和規(guī)模應用系統(tǒng)，也可實現(xiàn)多機和分布式控制。

圖1 某型號八位微控制器功能框圖

3 失效類型及分析方法

目前常用的失效分析方法有電測試技術(shù)、顯微形貌分析技術(shù)、顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、應力試驗技術(shù)、解剖制樣技術(shù)等。該款八位微控制器電路的主要失效類型分為：管腳損傷與沾污、未燒錄驅(qū)動程序、靜電擊穿和浪涌。此處主要使用顯微形貌分析技術(shù)、電測試技術(shù)以及解剖制樣技術(shù)[1]，從器件的外觀、驅(qū)動程序和內(nèi)部結(jié)構(gòu)三個角度進行失效分析。

3.1 管腳損傷與沾污

顯微形貌分析技術(shù)是通過光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透視電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等分析儀器，研究各種材料的顯微組織大小、形態(tài)、分布、數(shù)量和性質(zhì)的一種方法[2]。

管腳（即Pin）是從集成電路內(nèi)部引出與外部電路相連的引線，其損傷會直接對元器件功能造成影響，因此對其進行檢查十分有必要。

用肉眼比對檢查失效元器件與良好元器件，可以觀察到機械損傷、管殼變色或封裝裂縫等異常情況。有時管腳表面會存在著更加細微的沾污或損傷，僅靠肉眼難以察覺，此時即需要使用4~80 倍的立體顯微鏡，或者更大倍數(shù)的金相顯微鏡來觀察管腳部位。

觀察到的兩種管腳沾污如圖2 所示。可以明顯看出，電路管腳存在的異物有絲狀與球狀之分。其中絲狀異物使用洗耳球可以去除，燃燒后散發(fā)蛋白質(zhì)燃燒的臭味[3]，可推斷為運輸轉(zhuǎn)移過程中粘連的毛發(fā)；球狀異物無法用洗耳球清除，整體呈現(xiàn)燒結(jié)狀態(tài)，推斷應為防靜電海綿在高溫狀態(tài)下的殘余。

圖2 顯微鏡下觀察到的管腳沾污

觀察到的兩次機械損傷如圖3 所示。圖3(a)中見到的是管腳表面（根部）劃痕，該劃痕比較明顯，但引線表面無鍍金層缺失現(xiàn)象，經(jīng)系統(tǒng)測試合格，證明該損傷對電路功能無明顯影響；圖3(b)劃痕較為嚴重，金層已遭到破壞，進行系統(tǒng)測試時出現(xiàn)連接不穩(wěn)定現(xiàn)象，證明該損傷已對電路功能造成較大影響。由此可見，利用顯微形貌分析技術(shù)對失效元器件進行檢查十分必要。

圖3 兩種不同程度的機械損傷

3.2 未燒錄驅(qū)動程序

此處選取的該款微控制器為仿制國外Philips公司的P89C51RD2 電路，可進行原位替代。在研制過程中，為保證電路穩(wěn)定性，在時序?qū)懭牒蜁r序擦除方面進行了更嚴格的約束，此外還按照新的時序要求自主研發(fā)了專用并行編程器，在供貨前燒錄驅(qū)動程序，同時向用戶提供自主設計開發(fā)的專用并行編程器，以方便客戶燒錄程序[4]。

在實際操作過程中，如果使用專用編程器燒錄用戶程序結(jié)果正常，但使用Flash Magic 軟件燒錄用戶程序顯示連接失敗，且擦除原程序后無法再次燒錄，則表明該電路出廠前未燒錄驅(qū)動程序。此時重新燒錄驅(qū)動程序即可正常使用。

3.3 靜電擊穿

電測試技術(shù)是無損失效分析中最重要的步驟，隨著集成電路的規(guī)模越來越大，利用自動測試設備（ATE）對集成電路進行測試越來越成為失效分析工作的重點。靜電釋放（Electro-Static Discharge, ESD）是造成集成電路失效的主要原因之一[5]。了解ESD機理并采用合適的方法加以預防，對提高集成電路可靠性有巨大意義。在該型號八位微控制器的端口內(nèi)部，抗ESD 設計采用二極管結(jié)構(gòu)，其輸入輸出端口如圖4 所示。

圖4 端口內(nèi)部抗ESD 設計

二極管本身具有單向?qū)ㄐ?，如果加載在二極管上面的反向電壓超過它的最大承受值，反向電流會急劇加大，二極管會失去單向?qū)щ娦裕窗l(fā)生所謂的擊穿[6]。擊穿發(fā)生時，端口對地和對電源二極管特性消失，二極管處于失能狀態(tài)，導致電源和地端口ESD 失效, 在端口抗靜電結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)熱點，導致NMOS 管燒損，對電路內(nèi)部尤其是臨近端口造成影響。在此狀態(tài)下，該電路的P0.0 端口可能會失效，20 腳VSS與40 腳VCC可能會短接，電路受到不可恢復的損傷。利用電測試技術(shù)，測量失效端口是否對電源地短接，可以為失效分析提供有效依據(jù)。

3.4 浪涌

浪涌通常由自然界雷電、電網(wǎng)過壓、開關打火、空間靜電、電源系統(tǒng)（尤其是帶有很重的感性負載）開關切換時引起的，是一種上升速度高、持續(xù)時間短的尖峰脈沖。浪涌對微電子芯片造成的損壞，輕者干擾芯片正常工作，重者造成芯片永久性損壞。例如感應雷（雷電感應或感應過電壓）在RS-485 傳輸線上引起的瞬變干擾，其能量可在瞬間燒毀連結(jié)傳輸線上的全部器件[7]。

由于電子元器件封裝材料和多層布線結(jié)構(gòu)的不透明性，對于芯片內(nèi)部的觀察很多時候必須依賴于解剖制樣技術(shù)。解剖制樣技術(shù)主要過程包括：打開封裝、去鈍化層，有時候還需要去層間介質(zhì)，保留金屬化層及其下方介質(zhì)，以及硅材料，然后采用剖切面技術(shù)和染色技術(shù)，進一步觀察芯片內(nèi)部缺陷[8]。

某失效電路P1.7 端口無法正確輸出用戶原程序所設計的占空比波形。對其進行功能測試，結(jié)果為P1.7 端口不合格，經(jīng)過后續(xù)檢查，X 光、密封性、DPA檢測都合格，開蓋后發(fā)現(xiàn)故障電路芯片表面與P1.7端口相連的驅(qū)動管處有燒毀形貌。開蓋后芯片表面放大形貌如圖5 所示。

圖5 開蓋后芯片表面放大形貌

為做更進一步的分析，利用解剖制樣技術(shù)進行去層檢查。結(jié)果顯示該驅(qū)動管在芯片有源區(qū)呈現(xiàn)擊穿形貌，如圖6 所示。去層后有源區(qū)層SEM 形貌如圖7 所示。

圖6 去層后有源區(qū)層擊穿部位放大形貌

圖7 去層后有源區(qū)層擊穿部位SEM 形貌

通過顯微鏡觀察芯片表面與P1.7 端口相連的驅(qū)動管Q3，發(fā)現(xiàn)此處有燒毀形貌。去層檢查結(jié)果顯示該驅(qū)動管在芯片有源區(qū)呈現(xiàn)擊穿形貌。出現(xiàn)燒毀形貌是由于故障電路P1.7 端口引入了浪涌，導致芯片內(nèi)部驅(qū)動管被擊穿，引發(fā)失效，最終使得P1.7 端口無法正確輸出用戶原程序所設計的占空比波形。至此，將故障定位在P1.7 端口由于浪涌引入大電流導致芯片內(nèi)部驅(qū)動管被擊穿導致失效。

4 結(jié)束語

在簡要介紹某型號八位微控制器芯片四種失效類型及分析方法的基礎上，將其作為八位微控制器芯片的典型示例，對相關失效問題展開分析并借助顯微手段輔助取證，精確定位問題所在。所做分析不僅有助于更快速精準的解決其本身問題，也可為其他同類型器件提供參考。