王媛，白璐，詹勇，張盼盼

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第24研究所，重慶 400060）

某A/D轉(zhuǎn)換器老化過(guò)程中端口異常失效分析

王媛，白璐，詹勇，張盼盼

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第24研究所，重慶 400060）

近年來(lái)，關(guān)于電子元器件的失效分析技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用具有越來(lái)越重要的意義。作為模擬IC設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和分析找到失效原因，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，以不斷改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平，提高產(chǎn)品的可靠性。本文通過(guò)對(duì)某A/D轉(zhuǎn)換器老化后端口異常進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在老化試驗(yàn)條件的選擇存在問(wèn)題，文中不僅給出失效原因，同時(shí)提出了改進(jìn)措施。此次失效分析表明產(chǎn)品老化試驗(yàn)可靠性的評(píng)價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要性。

A/D轉(zhuǎn)換器；老化；金鋁鍵合；失效分析

概述

某型A/D轉(zhuǎn)換器于2012年完成設(shè)計(jì)定型后開(kāi)始首批供貨，目前僅供貨一個(gè)批次。

2016年7月，某生產(chǎn)批電路按A/D轉(zhuǎn)換器詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行100 %篩選，篩選過(guò)程中，該批電路老化前測(cè)試合格153只，隨后將合格的153只電路投入老化（TA=125 ℃，240 h），老化后常溫測(cè)試43只不合格，不合格率為28.1 %，超PDA要求。43只不合格的電路中，3只電路動(dòng)態(tài)參數(shù)臨界，2只電路積分非線性誤差不合格，屬于正常的篩選淘汰。其他38只電路中有28只電路失效現(xiàn)象表現(xiàn)為數(shù)字端口特性異常，10只電路失效現(xiàn)象表現(xiàn)為功能異常，異常比例較大。因此對(duì)38只數(shù)字端口特性異?；蚬δ墚惓５碾娐烽_(kāi)展的詳細(xì)的失效分析。

1 失效原因分析

1．1 故障定位

1）外觀檢查

失效電路外觀檢查無(wú)異常。

2）開(kāi)帽鏡檢

對(duì)失效電路進(jìn)行開(kāi)帽鏡檢，電路內(nèi)部鍵合絲及芯片表面均無(wú)異常。

3）老化系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)檢查

對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器老化系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

4）IO端口特性曲線掃描

在28只數(shù)字端口特性異常的電路中抽取3只電路進(jìn)行IO端口特性掃描。掃描結(jié)果顯示：3只電路數(shù)字輸出端口IO掃描不合格，選取其中一只電路（81#）的掃描特性曲線，并與合格電路進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

在10只功能異常的電路中選取3只電路進(jìn)行IO端口特性掃描。掃描結(jié)果顯示：3只功能異常的電路模擬輸出端口IO掃描不合格，選取其中一只電路（132#）的掃描曲線，并與合格電路進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

對(duì)比分析合格電路與不合格電路的I/O端口特性曲線發(fā)現(xiàn)，不合格電路的模擬、數(shù)字端口，呈高阻或開(kāi)路特性，而合格電路的端口特性曲線正常。

1．2 失效原因分析

圖1 合格電路與不合格電路（81#）數(shù)字IO端口特性曲線

1）功能簡(jiǎn)介

該型A/D轉(zhuǎn)換器采用0.35 mm CMOS工藝制作的半導(dǎo)體集成電路。內(nèi)含高精度基準(zhǔn)、時(shí)鐘穩(wěn)定電路、流水線信號(hào)處理電路、輸出數(shù)字校正電路、數(shù)字輸出接口電路等單元，專為高頻、寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)數(shù)字化處理而設(shè)計(jì)，模擬輸入必須由一個(gè)差分輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)，模擬輸入范圍通過(guò)外部PGA控制進(jìn)行設(shè)置。數(shù)字輸出具有LVDS、全速CMOS與半速CMOS三種模式。

圖2 合格電路與不合格電路（132#）模擬端口特性曲線

圖3 某A/D轉(zhuǎn)換器原理圖

工作原理如圖3所示，模擬輸入信號(hào)通過(guò)采樣/保持電路進(jìn)入6+5+5+5+4五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，每級(jí)流水線依次對(duì)輸入電壓進(jìn)行量化，產(chǎn)生多級(jí)輸出數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)字校正、輸出驅(qū)動(dòng)電路，最終生成16位輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從模擬信號(hào)到16位數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2）失效原因分析

A/D轉(zhuǎn)換器電路端口特性異常的原因，可能由三種情況引起：設(shè)計(jì)、工藝缺陷；外部電應(yīng)力沖擊引起的器件損傷；鍵合絲接觸不良。圖4為端口異常的故障樹(shù)，下面對(duì)這三種原因進(jìn)行排查分析。

①設(shè)計(jì)、工藝缺陷排查

某型A/D轉(zhuǎn)換器采用0.35 mm CMOS工藝制作的半導(dǎo)體集成電路，耐壓大于5.5 V，電源電壓采用3.3 V，正常加電的情況下，余量較大，不會(huì)擊穿電路。經(jīng)查，該生產(chǎn)批次電路的PCM參數(shù)滿足工藝規(guī)范要求，且封裝考核1批，投入30只電路進(jìn)行篩選摸底，全部合格。因此，可排除設(shè)計(jì)、工藝缺陷引起的電路端口特性異常。

圖4 電路端口特性異常故障樹(shù)

表1 過(guò)電試驗(yàn)結(jié)果

表2 靜電試驗(yàn)結(jié)果

②外部電應(yīng)力

在該批電路老化前測(cè)試合格至老化后測(cè)試的過(guò)程中，如果引入過(guò)電或者靜電，均有可能導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器端口特性異常。為排除或驗(yàn)證外部電應(yīng)力導(dǎo)致失效原因，對(duì)電路進(jìn)行了以下分析驗(yàn)證。

A）過(guò)電試驗(yàn)

在正常情況下，老化板電源電壓為3.3 V，內(nèi)部器件正常耐壓為5.5 V，當(dāng)電源電壓超過(guò)5.5 V時(shí)，可能會(huì)對(duì)器件造成擊穿或者潛在的損傷。針對(duì)該原因，我們分別選取3只電路放入老化板，在老化板電源端施加6 V、7 V、8 V的脈沖電壓，隨后取出電路對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)果如表1所示。

對(duì)過(guò)電試驗(yàn)后的不合格的3只電路進(jìn)行IO端口特性曲線掃描，其端口特性曲線正常。結(jié)合測(cè)試結(jié)果分析，可以排除在老化過(guò)程中因過(guò)電導(dǎo)致電路端口特性異常的情況。

B）ESDS試驗(yàn)

如果A/D轉(zhuǎn)換器遭受外部異常靜電應(yīng)力時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其端口特性異常。因此為確認(rèn)是否為靜電導(dǎo)致本批產(chǎn)品失效，分別選取3只電路進(jìn)行200 V、250 V、300 V的機(jī)械靜電模式的靜電試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，并掃描其IO端口曲線，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖5為200 V、250 V、300 V機(jī)械靜電試驗(yàn)后A/D轉(zhuǎn)換器的IO端口曲線。從曲線可以看出，200 V機(jī)械靜電試驗(yàn)后，試驗(yàn)電路的模擬輸出端口短路；合格電路的數(shù)字輸出端口的導(dǎo)通電壓大于0.4 V，在進(jìn)行250 V，300 V靜電試驗(yàn)后，導(dǎo)通電壓分別減小為0.3～0.4 V，0.2～0.3 V，可以表明靜電會(huì)對(duì)電路的輸出端口造成一定的損傷。依據(jù)靜電失效的機(jī)理，存在過(guò)壓將MOS器件的柵源擊穿或過(guò)流將MOS器件漏源擊穿形成短路。通過(guò)以上分析，靜電試驗(yàn)結(jié)果與失效電路端口開(kāi)路或者高阻的現(xiàn)象不符，可以排除靜電原因?qū)е卤敬问А?/p>

③鍵合絲接觸不良

圖5 機(jī)械靜電試驗(yàn)前后電路IO端口特性曲線

A/D轉(zhuǎn)換器鍵合絲接觸不良，即芯片上鍵合點(diǎn)、引線、管殼之間連接異常，會(huì)引入較大的接觸電阻，甚至開(kāi)路。若A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出端開(kāi)路或者是電阻過(guò)大，在測(cè)試時(shí)會(huì)表現(xiàn)出數(shù)字輸出端口特性異常、動(dòng)態(tài)參數(shù)差、甚至功能異常的現(xiàn)象。該失效機(jī)理符合本批次失效電路的失效現(xiàn)象。

為了對(duì)該批電路的鍵合絲進(jìn)行故障排查，選取3只老化后不合格電路（34#、113#、64#）按GJB 548B方法2011.1（30 um金絲，3.0 gf）進(jìn)行破壞性鍵合拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3只電路的破壞性鍵合拉力試驗(yàn)均不合格，最小拉力值僅為0.19 gf，且失效模式為C模式。在該試驗(yàn)中，僅有113#電路的7個(gè)引腳的鍵合絲拉力值滿足規(guī)范要求，其余引腳及34#、64#電路所有的引腳鍵合絲均不合格。

圖6 老化后不合格電路破壞性鍵合拉力試驗(yàn)結(jié)果

綜上，不排除鍵合絲接觸不良導(dǎo)致電路端口特性異常。

3）鍵合絲接觸不良原因排查

抽取兩只老化前不合格電路進(jìn)行破壞性建合拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，如圖7所示。因此可以排除是工藝原因?qū)е骆I合絲接觸不良，可以判定該批電路是在老化過(guò)程中導(dǎo)致鍵合絲接觸不良。下面對(duì)老化過(guò)程進(jìn)行分析、排查。

①老化箱

經(jīng)查，在該批產(chǎn)品老化前后一個(gè)月，采用相同老化箱進(jìn)行老化的產(chǎn)品在后續(xù)的篩選、檢驗(yàn)中均未發(fā)生異常。因此可以排除老化箱異常的原因。

②老化板

對(duì)老化板進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)電源、地接觸不良、老化板上夾具接觸不良等異常。且小樣摸底電路均未反饋異常，因此，可排除老化板異常原因。

③老化溫度

因電路采用的是金鋁鍵合，當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃即有可能發(fā)生金鋁反應(yīng)。該A/D轉(zhuǎn)換器正常工作時(shí)功耗約為1.3 W，根據(jù)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的熱成像摸底結(jié)果可知其溫升約為38 ℃。為了實(shí)際驗(yàn)證老化時(shí)電路的溫度，我們選取同批次電路進(jìn)行老化試驗(yàn)（125 ℃、24 h），試驗(yàn)過(guò)程中用點(diǎn)溫計(jì)監(jiān)測(cè)電路管殼的溫度，電路管殼的溫度達(dá)154.3 ℃，可以說(shuō)明其芯片內(nèi)部的溫度將更高。

圖7 老化前不合格電路破壞性鍵合拉力試驗(yàn)結(jié)果

因此不排除在老化過(guò)程中高溫導(dǎo)致金鋁反應(yīng)發(fā)生，使得電路端口特性異常。

2 失效機(jī)理

該A/D轉(zhuǎn)換器采用金鋁鍵合系統(tǒng)，由于金、鋁兩者的化學(xué)勢(shì)不同，Au-Al鍵合系統(tǒng)經(jīng)過(guò)高溫貯存后，會(huì)產(chǎn)生五種金屬間化合物[1]：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl2、AuAl，由于它們的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)不同，且電導(dǎo)率低，因此當(dāng)溫度變化時(shí)，鍵合點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致接觸電阻增大，甚至導(dǎo)致性能退化或者開(kāi)路。另外金鋁原子的擴(kuò)散系數(shù)不同，當(dāng)在高溫時(shí)，Au、Al原子會(huì)相互擴(kuò)散，且Au比Al擴(kuò)散的快，長(zhǎng)期高溫下會(huì)產(chǎn)生柯肯德?tīng)柨斩碵2]，逐漸形成鍵合點(diǎn)界面或者周邊空隙，引起接觸不良或引線脫落，導(dǎo)致開(kāi)路失效。

該批產(chǎn)品在老化（125 ℃、240 h）過(guò)程中，因產(chǎn)品本身功耗大，芯片產(chǎn)生較高的溫度，使金鋁反應(yīng)的發(fā)生，從而導(dǎo)致鍵合絲接觸不良，使電路端口特性異常[3]。

3 糾正措施

1）該生產(chǎn)批電路在篩選過(guò)程中PDA超標(biāo)，存在批次性隱患，本批產(chǎn)品入不合格品庫(kù)；

2）該A/D轉(zhuǎn)換器功耗1.3 W，溫升達(dá)38 ℃，針對(duì)后續(xù)老化溫度，將老化溫度TA=125 ℃改為TC=125 ℃，其他類似電路參照?qǐng)?zhí)行。

3）針對(duì)老化超溫導(dǎo)致電路失效的問(wèn)題，做以下處理：對(duì)新產(chǎn)品，在產(chǎn)品規(guī)范審核過(guò)程中，增加產(chǎn)品老化可靠性評(píng)價(jià)；針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品，生產(chǎn)前，全部進(jìn)行產(chǎn)品老化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；強(qiáng)制推行產(chǎn)品老化板過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)措施。以避免類似問(wèn)題發(fā)生。

4 結(jié)論

1）在篩驗(yàn)老化試驗(yàn)過(guò)程中，老化試驗(yàn)條件為125 ℃、240 h，A/D轉(zhuǎn)換器溫升約為38 ℃，使得芯片內(nèi)部溫度超過(guò)150 ℃，長(zhǎng)時(shí)間的高溫導(dǎo)致其發(fā)生金鋁反應(yīng)，使得接觸電阻增大或者開(kāi)路，從而導(dǎo)致該A/D轉(zhuǎn)換器的鍵合絲接觸不良，引起電路端口異常，造成該批電路失效。

2）本次老化超溫導(dǎo)致電路失效的問(wèn)題，說(shuō)明產(chǎn)品老化試驗(yàn)的可靠性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是非常重要的，通過(guò)此措施，以避免類似問(wèn)題再次發(fā)生。

[1]暢興平. 混合集成電路中金鋁鍵合可靠性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 襄樊學(xué)院學(xué)報(bào). 2011, 32(8): 36-40.

[2]劉建, 嚴(yán)欽云, 恩云飛, 等. 金鋁鍵合壽命評(píng)價(jià)方法研究[J]. 可靠性物理與失效分析技術(shù). 2007, 25(3): 4-6.

[3]陳星弼，張慶中，陳勇. 微電子器件 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

The Failure Analysis on A Type of A/D Converter

WANG Yuan, BAI Lu, ZHAN Yong, ZHANG Pan-pan
(No.24 Research Institute of CETC, Chongqing, 400060)

In recent years, the technology about “Failure Analysis” is more and more important for the production and use of products. As a special design and manufacture institute, the cause of failure is found according to the experimental verification and analysis. The defects exist in design、testing、manufacturing must be found in order to improve the design and manufacturing level and raise the reliability of products. This paper is about the analysis of a type of A/D converter which is failure in the port exception when tested after the burning-in test, the problem which was found through failure analysis aims at the choosing for the condition of the burning-in test. The paper presents the cause of failure and gives the suggestions. The conclusions are instructive to the importance of reliability and risk evaluation of the burning-in test for the similar products.

A/D converter; burning-in test; Au-Al bond; failure analysis

TN306

A

1004-7204(2017)04-0039-06

王 媛：中國(guó)電子科技集團(tuán)第24研究所，第二事業(yè)部，助理工程師，研究方向：從事電子元器件方面的失效分析以及IC可靠性設(shè)計(jì)工作。

白 璐：中國(guó)電子科技集團(tuán)第24研究所，第二事業(yè)部，高工，研究方向：從事電子元器件方面的失效分析以及IC可靠性設(shè)計(jì)工作。

詹 勇：中國(guó)電子科技集團(tuán)第24研究所，第二事業(yè)部，工程師，研究方向：IC設(shè)計(jì)。

張盼盼：中國(guó)電子科技集團(tuán)第24研究所，第二事業(yè)部，助理工程師，研究方向：IC設(shè)計(jì)。