郭宇楠，王佳男，丁 寧

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

針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域集成電路在使用中出現(xiàn)失效的問題，結(jié)合國(guó)產(chǎn)某型號(hào)厚膜集成電路和國(guó)產(chǎn)某重點(diǎn)型號(hào)大型盾構(gòu)設(shè)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(xì)論述了失效分析過程。通過對(duì)失效現(xiàn)象的分析定位故障點(diǎn)，找出引起失效的原因并給出預(yù)防措施。失效分析工作既可以幫助集成電路企業(yè)糾正設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)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(shù)能力。

集成電路；厚膜集成電路；盾構(gòu)設(shè)備；失效分析

1 引 言

集成電路是國(guó)家裝備制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的核心，在各類工業(yè)設(shè)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(lǐng)域?qū)φ麢C(jī)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(diǎn)、查找失效原因、弄清失效機(jī)理、預(yù)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(guó)產(chǎn)某型號(hào)厚膜集成電路應(yīng)用于中航某飛行控制設(shè)備之中，每臺(tái)飛行控制設(shè)備中使用1片該型號(hào)國(guó)產(chǎn)厚膜集成電路。生產(chǎn)線共裝配飛行控制設(shè)備35臺(tái)，裝配完成后對(duì)飛行控制設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程提示1臺(tái)飛行控制設(shè)備通訊故障。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這臺(tái)故障設(shè)備進(jìn)行測(cè)試分析［1］，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備中負(fù)責(zé)通訊的輸出端無(wú)輸出信號(hào)，此輸出端與國(guó)產(chǎn)厚膜集成電路的7號(hào)引腳相連。首先對(duì)發(fā)生失效的厚膜集成電路進(jìn)行拆機(jī)更換并對(duì)設(shè)備重新測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備工作恢復(fù)正常，可以排除此設(shè)備電路板、電源、傳輸線和通訊接口的問題，將拆機(jī)的厚膜集成電路裝配到其它設(shè)備中，通訊故障現(xiàn)象可以復(fù)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(hào)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(duì)該厚膜集成電路進(jìn)行無(wú)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(wú)損檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鍵合絲無(wú)熔斷，鍵合絲X射線無(wú)損檢測(cè)如圖1所示。

進(jìn)一步對(duì)該厚膜集成電路進(jìn)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(diǎn)、鍵合絲，發(fā)現(xiàn)陶瓷基板表面無(wú)明顯燒蝕痕跡，鍵合絲完整無(wú)熔斷損壞。對(duì)80C196KC裸芯片AD11／P4.3引腳的鍵合區(qū)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，AD11／P4.3引腳鍵合區(qū)左右肩的細(xì)鋁條均燒熔形成斷路，25μm鍵合金絲及鍵合點(diǎn)均正常，如圖2鍵合區(qū)左右肩細(xì)鋁條熔斷所示。經(jīng)過仔細(xì)觀察只發(fā)現(xiàn)了80C196KC裸芯片AD11／P4.3引腳這一處有細(xì)鋁條熔斷現(xiàn)象，其它位置無(wú)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(xì)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(wú)損檢測(cè)

圖2 鍵合區(qū)左右肩細(xì)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(gè)：①裝配過程中的靜電擊穿；②裸芯片表面沾污；③閂鎖效應(yīng)。

2.3.1 裝配過程的靜電擊穿

整機(jī)裝配環(huán)節(jié)未做好靜電防護(hù)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(jī)裝配過程中，通電測(cè)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(huì)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(huì)對(duì)每一顆裸芯片進(jìn)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(huì)流入用戶終端市場(chǎng)。

2.3.3 閂鎖效應(yīng)

ESD和相關(guān)的電壓瞬變都會(huì)引起閂鎖效應(yīng)［4］，是半導(dǎo)體器件失效的主要原因之一。如果有一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)施加在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中的氧化物薄膜上，則該氧化物薄膜就會(huì)因介質(zhì)擊穿而損壞，很細(xì)的金屬化跡線會(huì)由于大電流而損壞。并會(huì)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(dǎo)體器件損壞。

2.3.4 預(yù)防措施

裝配過程中的靜電擊穿和閂鎖效應(yīng)是引起該厚膜集成電路失效的主要原因，因此在整機(jī)裝配過程中必須嚴(yán)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(yīng)在防靜電的工作臺(tái)上進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)由幾個(gè)電源分別供電時(shí)，開關(guān)要按下列順序：開啟時(shí)，先開啟CMOS電路的電源，再開啟輸入信號(hào)和負(fù)載的電源；關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉輸入信號(hào)和負(fù)載的電源，再關(guān)閉CMOS電路的電源；

6.厚膜集成電路應(yīng)存放在防靜電材料制成的容器中；

7.生產(chǎn)、測(cè)試、使用及流轉(zhuǎn)過程中，厚膜集成電路應(yīng)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(cè)試設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格接地。

3 失效分析案例二

3.1 失效現(xiàn)象

國(guó)產(chǎn)某重點(diǎn)型號(hào)大型盾構(gòu)設(shè)備的主控系統(tǒng)板采用國(guó)產(chǎn)LT35063A組成升壓DC／DC變換器［5］。國(guó)產(chǎn)LT35063A單片DC／DC變換器控制電路可以替代美國(guó)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(zhuǎn)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(cè)試環(huán)節(jié)發(fā)生失效。加電測(cè)試發(fā)現(xiàn)LT35063A輸出電壓超過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值，觸發(fā)控制子板斷電保護(hù)而失效。測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(dá)50V，輸入電壓從10V下降到5V，輸出恢復(fù)到36V；此時(shí)不重新上電，只調(diào)高輸入電壓。當(dāng)輸入電壓大于10V時(shí)，輸出端又出現(xiàn)高電壓，且不能恢復(fù)。當(dāng)輸入電壓升高到16V時(shí)，輸出電壓達(dá)到60V左右，需要穩(wěn)定3-5秒之后才能恢復(fù)到36V，此刻如果重新上電，輸出電壓則恢復(fù)正常。

圖3 升壓DC／DC變換器

3.2 故障定位

首先對(duì)發(fā)生失效的控制子板上的LT35063A進(jìn)行拆機(jī)更換，更換后原故障現(xiàn)象無(wú)法消除。對(duì)之前拆機(jī)的LT35063A進(jìn)行復(fù)測(cè)，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(yán)格參照原理圖中標(biāo)注的型號(hào)。其中，100μF和330μF電容采用100V耐壓工業(yè)級(jí)電解電容器，1500pF電容采用直插式工業(yè)級(jí)獨(dú)石電容器，電感采用國(guó)產(chǎn)170μh工業(yè)級(jí)銅線繞制直插式電感器，二極管采用國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)1N5819［6］，0.22歐姆大功率電阻采用工業(yè)級(jí)2W功率電阻，其他電阻采用工業(yè)級(jí)1／4W直插電阻。

對(duì)該控制子板上能夠引起輸出電壓過高的國(guó)產(chǎn)170μh工業(yè)級(jí)銅線繞制直插式電感器、國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)1N5819二極管進(jìn)行拆機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)1N5819二極管的實(shí)測(cè)參數(shù)不滿足規(guī)范要求。對(duì)該控制子板上的國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)1N5819二極管進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)該控制子板進(jìn)行重新測(cè)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(jī)的國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)1N5819二極管重新裝回該控制子板，之前的故障現(xiàn)象可以復(fù)現(xiàn)。因此可以判斷是國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)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(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)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(shí)在控制子板裝配前，用戶單位也未對(duì)該二極管進(jìn)行二次篩選。

3.4 預(yù)防措施

1.國(guó)產(chǎn)重點(diǎn)型號(hào)設(shè)備的元器件供貨廠商，應(yīng)對(duì)出廠元器件產(chǎn)品嚴(yán)格按照國(guó)家工業(yè)級(jí)元器件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行篩選；

2.用戶單位在整機(jī)設(shè)備裝配前，應(yīng)對(duì)采購(gòu)的元器件進(jìn)行二次篩選。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)2個(gè)失效分析案例的解析，詳細(xì)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(guān)工業(yè)企業(yè)技術(shù)人員了解常用集成電路失效分析的技術(shù)和方法。隨著集成電路在我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)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(lái)越重要的角色。

［1］ 劉存.自動(dòng)測(cè)試與應(yīng)用系統(tǒng)［M］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，1994.Liu Cun.Automatic Testing and Application System［M］.Shenyang：Northeastern University Press. 1994.

［2］ 孫涵芳，王良啟.Intel 16位單片機(jī)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995. Sun Hanfang，Wang Liangqi.Intel16-BitMicrocontroller［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，1995.

［3］ 關(guān)旭東.硅集成電路工藝基礎(chǔ)［M］.北京：北京大學(xué)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(shè)計(jì)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(shù)基礎(chǔ)·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.

［6］ 蔡惟錚.常用電子元器件手冊(cè)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998. CaiWeizheng.Handbook of Common Electronic components［M］.Harbin Institute of Technology Press，1998.

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(xué)士學(xué)位，助理工程師，主研方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

2016-03-15