汽車電子產(chǎn)品集成電路的失效分析

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0165-03

FailureAnalysisofIntegrated Circuitsin Automotive ElectronicProducts

Li Zhibin

（Shanghai Huabi Testing Technology Co.，Ltd.，Shanghai 215ooO，China）

【Abstract】This paper focuses on the failure problem of integrated circuits inautomotive electronic products. Takingacertain profesional technicalserviceplatform project asanexample，itcomprehensivelyuses methods such as appearance inspection，functional inspection，non-destructive testing，and destructive testing to testthesamplechipof theinfrared detection module.The failure modes identified were solderball voids，solderbonding atthefet，warping， etc.The failure mechanisms were related tothe weldingquality，internal stress，circuit bridging，etc.Through thermal stresssimulationverification，itwasfoundthatthestabilityoftheassemblyandwelding processafectsthe welding quality，and a high parameterdrift rate willincrease the product defect rate.To this end，improvement measures such as strengthening processcontrolandadding high-temperaturebakingprocessesare proposed toefectively eliminate therisk of product failure and increase the domestic production rate of chips and project benefits.

【KeyWords】integrated circuit；failure；non-destructive testing；simulation verification

0 引言

伴隨汽車電器元器件技術(shù)高速發(fā)展，其運(yùn)行可靠性成為車企關(guān)注重點(diǎn)。但受環(huán)境、工藝等因素影響，汽車電子產(chǎn)品集成電路易失效，不僅增加故障風(fēng)險(xiǎn)，還制約技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。在此背景下，專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)通過(guò)分析失效案例，助力企業(yè)定位問(wèn)題，保障產(chǎn)品品質(zhì)，縮短研發(fā)周期，提升效益。本文以某服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目為切入點(diǎn)，梳理失效分析技術(shù)，為集成電路企業(yè)檢測(cè)認(rèn)證提供參考。

1項(xiàng)目概況

某汽車電子產(chǎn)品失效分析與品質(zhì)認(rèn)證專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，專注于為客戶企業(yè)提供半導(dǎo)體及集成電路領(lǐng)域的失效分析服務(wù)。在平臺(tái)服務(wù)過(guò)程中，某客戶自主研發(fā)的紅外探測(cè)模塊（XE08）出現(xiàn)功能異常問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)迅速開(kāi)展內(nèi)部功能驗(yàn)證和系統(tǒng)失效分析，最終將問(wèn)題定位至紅外探測(cè)模塊中的3顆芯片，涉及QFN、BGA、COB這3種典型封裝形式。后續(xù)的失效原因分析，便圍繞這3顆芯片展開(kāi)，旨在明確失效模式，為客戶提供切實(shí)可行的改進(jìn)方案，推動(dòng)集成電路技術(shù)創(chuàng)新，提升平臺(tái)的專業(yè)服務(wù)品質(zhì)。

2失效原因排查

客戶提供了多類NG（不合格）樣品和OK（合格）樣品，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用多種檢測(cè)手段，從多個(gè)維度對(duì)樣品進(jìn)行失效原因排查。

2.1 外觀檢測(cè)

在汽車電子元件初步篩選時(shí)，人工目測(cè)是常用的外觀檢測(cè)手段。檢測(cè)人員依流程核對(duì)樣品型號(hào)、規(guī)格等信息，借助放大鏡、顯微鏡檢查表面劃傷、裂紋等缺陷。重點(diǎn)觀察焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，排查虛焊、冷焊及短路風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)關(guān)注焊點(diǎn)斷裂痕跡、對(duì)齊度與光澤度。經(jīng)全面檢測(cè)，所有芯片焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)完好，未現(xiàn)明顯焊接異常，外觀檢測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)。

2.2 功能檢測(cè)

電流-電壓（IV）特性測(cè)試是評(píng)估集成電路基礎(chǔ)電性能的重要手段。在測(cè)試過(guò)程中，采用在不同電壓條件下測(cè)量電流輸出情況的方案。檢測(cè)人員詳細(xì)記錄每一組測(cè)試數(shù)據(jù)，后期通過(guò)繪制IV曲線變化圖，能夠快速發(fā)現(xiàn)組件工作中存在的問(wèn)題。

在對(duì) 168^#（NG 品QFN芯片）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在VDD18-GND腳位處出現(xiàn)短路現(xiàn)象，電流趨勢(shì)超過(guò)10μA ，如圖1所示。這一異常情況表明該芯片存在集成電路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，其功能正常使用難以得到保證。

2.3 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)是在不損害被測(cè)物體的前提下，對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)的技術(shù)。項(xiàng)目采用了多種無(wú)損檢測(cè)方式，包括X-ray無(wú)損檢測(cè)、聲學(xué)掃描檢測(cè)、CT檢測(cè)、開(kāi)蓋檢測(cè)、染色檢測(cè)、熱點(diǎn)檢測(cè)等。這些檢測(cè)方法基于不同原理，能夠全面檢測(cè)和定位被測(cè)物體的缺陷信息。

檢測(cè)結(jié)果顯示，X-ray無(wú)損檢測(cè)、聲學(xué)掃描檢測(cè)、開(kāi)蓋檢測(cè)結(jié)果均正常。雖然聲學(xué)掃描在QFN芯片處發(fā)現(xiàn)疑似有空腔風(fēng)險(xiǎn)，但經(jīng)CT檢測(cè)驗(yàn)證后予以排除。由于BGA芯片采用Underfill工藝，底部錫球縫隙被填充膠填滿，染劑無(wú)法進(jìn)入，因此染色檢測(cè)不適用于本項(xiàng)目，其結(jié)果不具備參考意義。

然而，CT檢測(cè)和熱點(diǎn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了多項(xiàng)問(wèn)題。在CT檢測(cè)中，利用X射線的穿透性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，BGA芯片10L腳位出現(xiàn)貫穿式空洞現(xiàn)象。其中， 227^# 芯片的空洞率為 10.55% 和 8.8% ， 168^#BGA 芯片的空洞率更是高達(dá) 16.49% 和 11.95% 。同時(shí)，CT檢測(cè)生成的物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)3D圖像顯示， 227^# 芯片存在多處焊盤連錫問(wèn)題，如圖2所示。 168^# 、 227^# 兩顆NG品均出現(xiàn)芯片翹曲現(xiàn)象。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，OK品COB芯片平面度為 0.0218μm ， NG-168^#COB 芯片平面度為0.0317μm ， NG-227^#COB 芯片平面度為 0.0499μm ，表明NG品芯片翹曲情況較為嚴(yán)重。無(wú)損檢測(cè)項(xiàng)自結(jié)果見(jiàn)表1。在熱點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程中， 168^#"（NG品）QFN芯片位置也出現(xiàn)異常，存在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 破壞性檢測(cè)

與無(wú)損檢測(cè)不同，破壞性檢測(cè)需要對(duì)樣品進(jìn)行破壞，以獲取更詳細(xì)的信息，得出精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果。金相切片與去層檢測(cè)是汽車電子產(chǎn)品破壞性檢測(cè)中的常用方法。金相切片檢測(cè)需先用液態(tài)樹脂包裹固封樣品，再進(jìn)行研磨拋光處理；去層檢測(cè)則要提前清洗、干燥芯片樣品，初步觀察留圖后，通過(guò)酸腐蝕和剝離金的方法進(jìn)行整體或逐層去層，并在過(guò)程中觀察拍攝芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及狀態(tài)信息，查找芯片失效原因。

在金相切片檢測(cè)期間中，檢測(cè)人員按照取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察的順序進(jìn)行操作，并整理樣品開(kāi)裂分層、尺寸等數(shù)據(jù)信息。如圖3所示， 168^# （NG品）BGA芯片存在較大的腳位空洞現(xiàn)象，且10L腳位存在貫穿式空洞。在去層檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)分層去除材料，對(duì)樣品更深層次結(jié)構(gòu)和缺陷進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn) 168^#（NG 品）QFN芯片晶圓內(nèi)部存在電路橋接現(xiàn)象，如圖4所示。破壞性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

3失效模式、機(jī)理確認(rèn)

通過(guò)上述一系列失效原因排查，最終確認(rèn)項(xiàng)目紅外探測(cè)模塊功能失效模式為錫球空洞、腳位連錫、電路間大體積錫渣、翹曲、短路等。其失效機(jī)理如下：首先，失效件整體焊接品質(zhì)缺陷方面，通過(guò)檢測(cè)圖像，能夠看到明顯的錫球空洞和腳位連錫等問(wèn)題，而且腳位電路之間存在大體積錫渣等品質(zhì)缺陷。這種失效因素的影響下，不僅影響紅外探測(cè)模塊的安全性和功能穩(wěn)定性，也會(huì)大幅降低整體系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。其次，在失效件COB芯片翹曲缺陷方面，芯片的共面性極差，平整度不足，據(jù)此失效原因推測(cè)，該系統(tǒng)中的內(nèi)應(yīng)力數(shù)值過(guò)大。在后續(xù)芯片的熱處理過(guò)程中，容易因應(yīng)力釋放而影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最后，在失效件QFN芯片晶圓內(nèi)部電路缺陷方面，晶圓內(nèi)部電路存在明顯的橋接現(xiàn)象，電流未經(jīng)過(guò)負(fù)載直接借助導(dǎo)線形成回路，致使電參數(shù)短路，形成非穩(wěn)定失效模式，易引發(fā)系統(tǒng)元件損壞等風(fēng)險(xiǎn)。

4失效原因仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證失效原因，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從焊接工藝、特性參數(shù)、內(nèi)部電路三方面對(duì)芯片失效原因開(kāi)展仿真驗(yàn)證。通過(guò)熱應(yīng)力仿真調(diào)整工藝參數(shù)，探究其對(duì)芯片翹曲度的影響；利用仿真軟件構(gòu)建三維模型，模擬電氣及熱行為以定位短路根源；還疊加環(huán)境耦合條件量化參數(shù)漂移與焊接缺陷關(guān)系。驗(yàn)證結(jié)果顯示，焊接工藝穩(wěn)定性影響焊接品質(zhì)，電子元件易受熱損傷，且紅外探測(cè)模塊參數(shù)漂移率越高，產(chǎn)品不良率越高。

5失效改進(jìn)措施

為提高汽車電子元件裝配工藝的穩(wěn)定性，后續(xù)改進(jìn)過(guò)程中，建議強(qiáng)化工藝管控，進(jìn)一步優(yōu)化焊盤布局，引入激光焊接技術(shù)等，以通過(guò)熱輸入控制的方式減少元件熱損傷風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。在工藝應(yīng)用過(guò)程中，重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管理，進(jìn)而減少風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生，確保產(chǎn)品生產(chǎn)工藝狀態(tài)穩(wěn)定。此外，為防止因焊接應(yīng)力問(wèn)題而造成產(chǎn)品品質(zhì)下降，建議后期采用工序調(diào)整的改進(jìn)措施，在裝配工藝后增設(shè)高溫烘烤工序，使得元件在高溫環(huán)境下獲得應(yīng)力釋放，并優(yōu)化材料的穩(wěn)定性。當(dāng)應(yīng)力提前釋放后產(chǎn)品再出貨，以此減少產(chǎn)品不良率，有效保證汽車電子產(chǎn)品品質(zhì)。

6結(jié)論

本文圍繞某汽車電子產(chǎn)品集成電路失效問(wèn)題，設(shè)計(jì)了“原因排查一失效模式確認(rèn)一失效原因仿真驗(yàn)證一改進(jìn)改善”的完整技術(shù)路線。綜合運(yùn)用外觀檢測(cè)、功能檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)、破壞性檢測(cè)等多種方法，對(duì)樣品芯片進(jìn)行全面測(cè)試，成功確認(rèn)產(chǎn)品模塊功能的失效模式為錫球空洞、腳位連錫、電路間大體積錫渣、翹曲、短路等。

通過(guò)熱應(yīng)力仿真驗(yàn)證及仿真軟件的運(yùn)用，明確了產(chǎn)品不良率與參數(shù)漂移率之間的關(guān)系，并針對(duì)性地提出了加強(qiáng)工藝監(jiān)測(cè)、增設(shè)高溫烘烤工序等失效改進(jìn)措施。最終，幫助客戶有效排除了產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)階段的失效風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)提高芯片國(guó)產(chǎn)化率和項(xiàng)目效益起到了積極作用，也為同類問(wèn)題的解決提供了有益的參考和借鑒。

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（編輯林子衿）