隨鉆聲波測井儀信號接收電路芯片失效分析

羅 博，侯軍濤，李 杰，羅瑜林，仇 傲

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 河北 三河 065201)

0 引 言

隨鉆測井是在鉆井的同時測量取得地層信息，相比于電纜測井，能夠在剛鉆開的地層中取得測量數(shù)據(jù)，此時地層狀況更接近原始狀況，且受鉆井液影響較小，能夠更加真實地得到地層信息，所以隨鉆儀器測井?dāng)?shù)據(jù)更有研究價值[1-3]。隨鉆四極子聲波測井儀是中海油服自研在用的最先進(jìn)的隨鉆聲波測井儀器，該儀器可以獲取地層中的縱波、橫波及斯通利波慢度數(shù)據(jù)。針對不同環(huán)境和測試對象，該儀器有不同的工作模式。信號采集電路是取得測量數(shù)據(jù)最關(guān)鍵的部分，信號接收電路是其第一級，接收來自接收換能器的微弱信號，并將其放大后，輸出到下一級處理。信號接收電路的可靠性是儀器能否正常工作的關(guān)鍵。實際工作中發(fā)現(xiàn)，接收換能器焊接后，有較大比例信號采集板不能正常工作，無輸出信號。為此，對焊接時失效的信號接收電路運(yùn)放芯片進(jìn)行了徹底檢測，確定了故障原因，并提出了解決方案。

1 隨鉆聲波信號接收電路故障描述

信號接收電路中使用的聲波接收換能器是一種壓電式傳感器，兩個壓電陶瓷片和3個金屬片交替組合，其壓電陶瓷會在受外力時在其表面產(chǎn)生電荷，電荷量與聲波信號的頻率和幅度具有很大相關(guān)性[4]。信號接收電路如圖1所示，選用TI 公司生產(chǎn)的一款低噪聲、低功耗、高精度的CMOS 運(yùn)算放大器，接收換能器的輸出直接焊接在接收電路板上，焊接前，信號接收電路輸入接信號發(fā)生器，確保全部模塊正常工作。焊接完成后，發(fā)現(xiàn)運(yùn)放芯片損壞率較高，部分信號接收電路板不能正常工作，無輸出信號。

圖1 信號接收電路

2 芯片檢測

為了提高儀器信號采集電路工作穩(wěn)定性，首先必須確定芯片失效原因，對焊接后失效的芯片和正常芯片分別進(jìn)行檢測，進(jìn)行對比，然后提出解決方案。

2.1 X射線檢查

引線鍵合(Wire Bonding)是芯片封裝中關(guān)鍵的工藝技術(shù)之一，芯片引腳與內(nèi)部功能模塊通過金屬引線形成電氣連接[5]。根據(jù)國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)，大部分芯片連接是通過引線鍵合。引線鍵合質(zhì)量好壞對芯片能否長期穩(wěn)定工作至關(guān)重要，如果引線鍵合中引線被腐蝕、工藝缺陷、焊盤污染等都會導(dǎo)致引線質(zhì)量問題，進(jìn)而產(chǎn)生引線斷開、脫落等故障，這些問題會直接導(dǎo)致芯片部分或全部功能失效[6-7]。

利用X射線設(shè)備對這批失效芯片進(jìn)行掃描，圖2為其中一個失效芯片X射線掃描圖，所有失效芯片鍵合引線狀態(tài)良好，均未見鍵合引線斷開或脫落。因此，排除引線質(zhì)量不合格可能。

圖2 失效芯片X射線掃描圖

2.2 電特性測試

為確定失效芯片的失效電特征，確定失效模式，利用圖示儀對失效芯片和正常芯片引腳進(jìn)行I-V特性曲線對比檢測，發(fā)現(xiàn)失效芯片5腳(V+)和3腳(-IN)的I-V特性曲線呈現(xiàn)短路特性，與正常芯片存在明顯差異。失效芯片引腳I-V特性曲線如圖3所示。

圖3 失效芯片5腳(V+)和3腳(-IN)的I-V特性曲線

2.3 內(nèi)部目檢

為了檢查失效芯片內(nèi)部是否存在與失效模式相關(guān)的結(jié)構(gòu)異?；蛉毕?，確定失效位置，采用化學(xué)方法對芯片進(jìn)行開封，展現(xiàn)出芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)全貌，如圖4所示。芯片開封后觀察內(nèi)部全貌發(fā)現(xiàn)，失效芯片3腳(-IN)端口內(nèi)鍵合點相連金屬化熔融燒毀，如圖5所示。初步確定失效點位置。

圖4 芯片內(nèi)部全貌

圖5 金屬化熔融燒毀位置

2.4 失效點定位

芯片內(nèi)部阻抗異常、漏電路徑分析常采用OBIRCH芯片背面成像技術(shù)。該技術(shù)是基于熱效應(yīng)的靜態(tài)激光激發(fā)技術(shù)，能有效地檢測短路或漏電。OBIRCH 定位出現(xiàn)的點一般是芯片最初的短路位置。另外，可以調(diào)節(jié)激光功率，通過芯片襯底的傳播后其成像質(zhì)量也好于光發(fā)射顯微鏡成像[8]，所以，該技術(shù)可以精確定位芯片故障位置。運(yùn)用OBIRCH技術(shù)，利用激光掃描顯微鏡對該批失效芯片進(jìn)行觀察分析，經(jīng)過激光發(fā)熱后，阻抗異常的地方可以被儀器檢測到，且被標(biāo)亮，這樣可以精確定位芯片故障位置。

對失效芯片的5腳(V+)和3腳(-IN)之間施加電壓0.03 V，芯片表面可見阻抗變化異常點，位于芯片3腳端口鍵合點附近，如圖6中綠色點位置所示。

圖6 OBIRCH定位結(jié)果

2.5 電子顯微鏡檢查(SEM)

為了進(jìn)一步觀察失效芯片的失效形貌，確定失效原因，采用化學(xué)方法對失效芯片進(jìn)行去層處理，展現(xiàn)芯片有源區(qū)形貌,使用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electronmicroscope, SEM)對失效芯片進(jìn)行檢查。SEM是將電子槍發(fā)射的電子通過高壓加速，經(jīng)過多級電磁透鏡匯集成細(xì)小的聚焦電子束，對測試樣品表面進(jìn)行逐點掃描，激發(fā)測試樣品釋放電子,接收到這些電子后進(jìn)行顯示成像,可以達(dá)到獲得測試樣品表面形貌和化學(xué)成分等相關(guān)信息[9-10]。使用SEM觀察失效芯片，發(fā)現(xiàn)失效芯片有源區(qū)晶體管熔融燒毀，燒毀區(qū)域位置與阻抗異常點吻合，如圖7所示。

圖7 晶體管熔融燒毀SEM全貌

2.6 芯片檢測結(jié)論分析

失效芯片信號輸入端(3腳)與電源引腳之間的I-V特性曲線存在短路特性，與正常芯片I-V特性存在明顯差異。開封后可見3腳(-IN)引腳內(nèi)鍵合點相連的金屬化熔融布線燒毀，其余區(qū)域未見過熱、過電損傷形貌。失效點可定位為3腳引入異常電壓擊穿有源晶體管形成異常的漏電通道，后續(xù)加電過程中流經(jīng)漏電通道的大電流使金屬化布線熔融燒毀，且該異常電壓能量遠(yuǎn)大于靜電。

3 芯片失效原因分析

該運(yùn)放芯片具有ESD保護(hù)功能，焊接過程中有充分的防靜電措施，且異常電壓能量遠(yuǎn)大于靜電，因此，可初步排除靜電原因。

隨鉆四極子聲波測井儀采集電路壓電陶瓷體積較大，長時間放置，電荷不斷在兩極累積，且移動時不可避免受到外力作用；焊錫溫度在350 ℃以上，壓電陶瓷受熱膨脹，繼續(xù)產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致壓電陶瓷帶電量過高，焊接時與運(yùn)放3腳連接，過高電壓導(dǎo)致芯片3腳引入異常電壓，損壞芯片。

為最終確認(rèn)芯片失效原因，需測量壓電陶瓷焊接前正極電特性。先對接收換能器兩極放電，放置一段時間后，用示波器測得其電壓信號如圖8所示。可見，其信號幅度在17 V以上，半衰期為3 ms，遠(yuǎn)超過該運(yùn)放芯片允許輸入電壓范圍。焊接時，因為受熱膨脹形變，其正極電壓會更高。所以，可以確定，焊接時壓電陶瓷電壓過高，導(dǎo)致其在焊接時損壞運(yùn)放芯片。

圖8 接收換能器放置一天后正極電壓信號

4 解決方案

壓電陶瓷即便受到微小外力，也會積累電荷。所以，很難保證壓電陶瓷在放置時不積累電荷。解決方案為焊接前，將接收換能器兩極放電；焊接時，將兩極與地短接，確保接收換能器隨時將電荷釋放，焊接時兩極無電荷。

第二批信號接收電路板采用此方式焊接接收換能器，焊接完成后，信號接收電路全部正常工作，無芯片失效。

5 結(jié)束語

本文對焊接時失效的隨鉆聲波信號接收電路運(yùn)放芯片進(jìn)行了徹底的檢測，并測試了接收換能器放置一段時間后的電特性，最終確定了芯片失效原因，并提出解決方案，大大提高了隨鉆聲波測井儀信號接收電路的可靠性，減少了芯片損耗，節(jié)約了物料成本和時間。