陳海彬

摘要 集成電路產(chǎn)業(yè)是在二十世紀(jì)五十年代后期、六十年代出現(xiàn)并不斷應(yīng)用到生活中的一種全新的半導(dǎo)體元件。集成電路的不斷發(fā)展，他已經(jīng)深深的融入到我們的生活中，小到一個(gè)手機(jī)、一個(gè)電腦，哪怕一個(gè)小小手機(jī)存電器，大到公司里的數(shù)控設(shè)備，交通工具。集成電路無(wú)處不在，它已無(wú)形中融入到我們的生活之中。多我們的生活造成或多或少的影響。本文通過(guò)對(duì)集成電路的工作原理和可靠性分析對(duì)其進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的探討。

【關(guān)鍵詞】集成電路 半導(dǎo)體集成電路 靜電放電 可靠性

1 集成電路的工作原理及組成結(jié)構(gòu)

集成電路，一般簡(jiǎn)稱IC，英文名為integrated circuit，它是一種新型、微型的電子元件或者零部件。通常情況下集成電路采用一種特定的工藝方法，把很多的微電子元件集成到一個(gè)硅片上，一般這些電子元件包括晶體管、二極管、電容電阻、電感等，現(xiàn)如今基本所有集成電路的都是以硅作為基礎(chǔ)材料，再在其基礎(chǔ)上通過(guò)擴(kuò)散或者滲透的工藝方法讓其形成N型、P型的半導(dǎo)體或者P-N結(jié)。讓其在電路板上結(jié)合其他元器件一起來(lái)完成一些特定功能的電路模塊，比如說(shuō)一些我們平時(shí)生活中常見(jiàn)的一些承擔(dān)運(yùn)算、導(dǎo)電、存儲(chǔ)功能的電子設(shè)備。人們把集成電路也稱作半導(dǎo)體集成電路，因?yàn)橐话愕募呻娐返幕宥际前雽?dǎo)體材料，然后再在基板上把把至少一個(gè)有源元件或者更多的元件相互之間連接到一起，讓其完成一些特定功能的元器件。它們一般通過(guò)半導(dǎo)體材料所特有的電子空穴導(dǎo)電能了來(lái)進(jìn)行通電，讓電流通過(guò)半導(dǎo)體上的引線和引腳來(lái)進(jìn)行輸入或者輸出電流信號(hào)，完成半導(dǎo)體集成電路的索要完成的特定功能。人們一般認(rèn)為集成電路是羅伯特·諾伊思（在硅（Si）的基礎(chǔ)上發(fā)明的集成電路）和杰克·基爾比（在鍺（Ge）的基礎(chǔ)上發(fā)明的集成電路）發(fā)明的。而后隨著集成電路的一步步持續(xù)改進(jìn)，現(xiàn)如今市面上大多數(shù)的的半導(dǎo)體集成電路都是在硅的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)的，一般情況下半導(dǎo)體的工藝過(guò)程是氧化一光刻一擴(kuò)散一外延一蒸鋁，然后形成集成電路所需要的半導(dǎo)體材料，把另外一些所需要的二極管、電容、電阻等元器件再焊接到加工好的特定的半導(dǎo)體材料上，就加工成了我們所需要的一些半導(dǎo)體集成電路。它們會(huì)有各種各樣的樣式，比如有扁平式的、圓殼式的、雙列直插式的等等，而且它們所實(shí)現(xiàn)的功能也是各種各樣。

2 集成電路的分類

2.1 按其集成度高低（或內(nèi)含晶體管的數(shù)量）不同分類

集成電路按照集成度高低（或內(nèi)含晶體管的數(shù)量）不同一般可分為：SSI小規(guī)模集成電路（晶體管數(shù)量10-100） （SmallScale Integrated circuits）、MSI中規(guī)模集成電路（晶體管數(shù)量100-1000）（Medium ScaleIntegrated circuits）、LSI大規(guī)模集成電路（晶體管數(shù)量1000-10000）（Large Scale Integratedcircuits）、VLSI超大規(guī)模集成電路（晶體管數(shù)量10萬(wàn)-100萬(wàn)）（Very Large Scale Integratedcircuits）、ULSI特大規(guī)模集成電路（晶體管數(shù)量1000萬(wàn)以上）（Ultra Large Scale Integratedcircuits）、GSI巨大規(guī)模的集成電路又被稱為極大規(guī)模集成電路或者超特大規(guī)模集成電路（Giga Scale Integration）.

2.2 按其制作工藝不同分類

集成電路按照制作工藝流程的不同一般分為膜形式集成電路和半導(dǎo)體形式集成電路。而膜形式集成電路又可分為厚膜形式集成電路和薄膜形式集成電路。

2.3 按其結(jié)構(gòu)、功能的不同分類

集成電路按照結(jié)構(gòu)、功能形式的不同一般可分為數(shù)字集成電路、模擬集成電路和數(shù)/模混合集成電路。數(shù)字集成電路一般是實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)的的處理、放大和產(chǎn)生的功能，比如說(shuō)我們身邊常用的一些電子產(chǎn)品，MP4、移動(dòng)電話、電腦中的主板等，它們都是通過(guò)數(shù)字信號(hào)來(lái)進(jìn)行邏輯控制進(jìn)行視頻信號(hào)和音頻信號(hào)的傳輸。而模擬集成電路一般都是一個(gè)線性信號(hào)，它只是把接收到的模擬線性信號(hào)處理、放大或縮小，不如說(shuō)我們以前老舊的半導(dǎo)體收音機(jī)，放卡帶的錄影機(jī)等，都是通過(guò)模擬信號(hào)來(lái)傳輸信號(hào)的。

2.4 按其導(dǎo)電類型不同分類

集成電路按照導(dǎo)電類型不同一般可分為單極型集成電路和雙極型集成電路。此分類不算完善，因?yàn)榇朔N分類所包含的都是數(shù)字式的集成電路。單極型集成電路一般制造工藝簡(jiǎn)單，在此就不做跟多的陳述，由于其制作簡(jiǎn)單，所以可以大批量生產(chǎn)，比如PMOS、NMOS。雙極型集成電路相對(duì)而言就工藝就復(fù)雜的多功率消耗也大，不如TTL。

2.5 按其用途不同分類

集成電路按照用途不同可分為影碟放映機(jī)專用集成電路、電腦（微機(jī)）專用集成電路、報(bào)警器專用集成電路、電視機(jī)專用集成電路、音響專用集成電路、錄像機(jī)專用集成電路、通信專用集成電路、電子琴專用集成電路、照相機(jī)專用集成電路、遙控專集成電路、語(yǔ)言專集成電路及各種專用集成電路。

影碟機(jī)專用集成電路中一般包含電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路、音響效果集成電路、數(shù)字信號(hào)處理集成電路、視頻編碼集成電路、音頻信號(hào)處理集成電路、系統(tǒng)控制集成電路、MPEG解碼集成電路、RF信號(hào)處理系統(tǒng)集成電路、伺服系統(tǒng)集成電路等。

音響專用集成電路中一般包含音頻功能放大處理集成電路、音頻后置放大處理集成電路、立體聲處理集成電路、電子音頻處理集成電路、AM/FM高中頻集成電路、音頻運(yùn)算解析集成電路、環(huán)繞聲處理集成電路、電子開(kāi)關(guān)控制集成電路等。

電視機(jī)專用集成電路中一般包含遙控控制集成電路、微處理器集成電路、彩色解碼處理集成電路、伴音處理集成電路、AV/TV轉(zhuǎn)換集成電路、開(kāi)關(guān)電源解析集成電路、畫(huà)中畫(huà)解析集成電路、麗音解碼處理集成電路、存儲(chǔ)器處理集成電路等。

錄像機(jī)專用集成電路中一般包含伺服系統(tǒng)集成電路、系統(tǒng)控制解析集成電路、驅(qū)動(dòng)處理集成電路、視頻解析集成電路、音頻解析集成電路。

計(jì)算機(jī)專用集成電路中一般包含中央控制單元（CPU）集成電路、內(nèi)存儲(chǔ)器集成電路、外存儲(chǔ)器處理集成電路、I/O控制集成電路等。

2.6 按其外形分

集成電路按外形不同一般可分類成圓型集成電路、扁平型集成電路和雙列直插型集成電路。

2.7 按其運(yùn)用領(lǐng)域不同分類

集成電路按運(yùn)用領(lǐng)域不同一般可分為標(biāo)準(zhǔn)通用型集成電路和專用型集成電路，如圖1。

3 集成電路在現(xiàn)實(shí)中一般的失效形式和因素

集成電路在現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的失效，而一般情況下集成電路的失效都存在于設(shè)計(jì)過(guò)程、工藝流程、應(yīng)用環(huán)境的過(guò)程中。而以照以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，集成電路的失效一般分為兩大類：內(nèi)部失效和外部失效。

內(nèi)部失效：一般來(lái)說(shuō)，在我們生產(chǎn)加工過(guò)程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的考慮不足，加工工藝缺陷引起的電應(yīng)力方面的失效和使用半導(dǎo)體材料本身存在缺陷所引起的集成電路失效。不過(guò)隨著集成電路引用越來(lái)越廣泛，此類產(chǎn)品越來(lái)越多，生產(chǎn)加工工藝會(huì)越來(lái)越完善，而且加工水品越來(lái)越高，此方面的失效形式會(huì)越來(lái)越小。

外部失效：外部失效一般都包括封裝時(shí)產(chǎn)生的失效和內(nèi)外引線問(wèn)題產(chǎn)生的失效。由于集成電路的廣泛應(yīng)用和在封裝上要求的復(fù)雜程度越來(lái)越高，所以在這方面的失效會(huì)越來(lái)越多。

4 可靠性分析

4.1 集成電路檢測(cè)常識(shí)

在說(shuō)可靠性前要談?wù)劶呻娐窓z測(cè)時(shí)候需要注意的一些東西

4.1.1 集成電路的檢測(cè)前準(zhǔn)備

在每次維修一個(gè)集成電路前，我們應(yīng)該首先熟悉其內(nèi)部的電路走向，各個(gè)電路的功能，各元件的參數(shù)，電壓要求，各引線引腳的走向、波形以及整個(gè)集成電路的工作原理。

4.1.2 測(cè)試時(shí)避免短路損害元件

在我們每次帶電測(cè)量電路中元器件或用示波器測(cè)試波形時(shí)，應(yīng)該注意避免造成短路現(xiàn)象，經(jīng)常測(cè)量時(shí)因?yàn)橐_的短接而損害電路，而最安全的方式與引腳直接連接外圍進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量集成電路時(shí)我們要加倍小心，由于任何不經(jīng)意間的短路都可能造成不能挽回的損失。

4.1.3 焊接質(zhì)量要求高

電路焊接時(shí)一定要焊接牢固，不能出現(xiàn)焊錫的堆積、氣孔現(xiàn)象，這樣很容易出現(xiàn)虛焊。焊接的時(shí)候每次焊接要快，烙鐵要盡量用正規(guī)的內(nèi)熱式的，對(duì)焊接完成的電路板不要立刻通電測(cè)試，要先觀察焊接是否牢固，必要時(shí)用表測(cè)試是否有短路現(xiàn)象，確認(rèn)無(wú)誤后方可通電測(cè)試。

4.1.4 嚴(yán)格禁止在無(wú)隔離的變壓器下

任何情況的帶電接觸帶有集成電路的電氣設(shè)備嚴(yán)格禁止在無(wú)電源隔離變壓器的帶有集成電路的電氣設(shè)備比如電視、錄像等設(shè)備直接用外殼已經(jīng)接地的儀器設(shè)備直接測(cè)試。因?yàn)樵诓涣私庠O(shè)備自身是否帶有電源隔離變壓器情況下，可能因?yàn)槟愕膸щ姴僮鞫斐烧麄€(gè)電氣設(shè)備的集成電路短接，這樣造成的后果不可估量。

4.1.5 電烙鐵的絕緣問(wèn)題

在使用電烙鐵時(shí)，我們?cè)诤附拥臅r(shí)候是不準(zhǔn)帶電操作的，因?yàn)椴恢离娎予F的絕緣性是否達(dá)標(biāo)，一旦在焊接集成電路有電流通過(guò)，可能會(huì)對(duì)電路造成跟大的損壞。尤其是在進(jìn)行焊接MOS電路時(shí)，更因加倍小心。

4.1.6 集成電路的損壞不要輕易下結(jié)論

集成電路的損壞需要做細(xì)致的檢查，不要輕易下結(jié)論說(shuō)集成電路損壞。因?yàn)榧呻娐泛芏喽际侵苯玉詈?，其中單個(gè)的電路不正常，就會(huì)造成電壓變化，壓力變化不能完全證明說(shuō)集成電路損害，有時(shí)候一些引腳電壓的數(shù)值有一些小的偏差，這都是正?，F(xiàn)象，而有時(shí)候可能因?yàn)橐恍﹦e的原因也可能造成集成電路中的電流變化。

4.1.7 集成電路的散熱問(wèn)題值得注意

一般功率集成電路都帶有散熱器，因?yàn)榧呻娐吩诖蠊β氏鹿ぷ鲿?huì)產(chǎn)生很高的熱量，如果不及時(shí)散出，可能會(huì)很容易燒壞集成電路。

4.1.8 測(cè)試集成電路的儀表內(nèi)阻要大一點(diǎn)

一般情況下我們用儀表內(nèi)阻大于20KΩ/N的表來(lái)測(cè)量集成電路的引腳直流電壓，因?yàn)閮?nèi)阻偏小的測(cè)量表測(cè)出的引腳電壓有可能會(huì)有很大的測(cè)量誤差。

4.2 集成電路常見(jiàn)的失效形式分析及控制措施

4.2.1 集成電路中經(jīng)常見(jiàn)到的物理失效形式是ESD靜電放電模式和LATCH-UP損傷模式

而在實(shí)際的工作中靜電放電模式有分為HBM人體放電模式（hnman-baby model）、MM機(jī)器放電模式（Machine Model）、CDM存電元件模式（ Charged-device Model）等。從最末端客戶使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際的生活中，ESD靜電放電模式和LATCH-UP損傷模式占整個(gè)集成電路失效的百分之八十以上。從集成電路制作方來(lái)講，為使用者制造出合格的集成元件產(chǎn)品是保障市場(chǎng)信譽(yù)度的重中之重，而從使用方法來(lái)講，提高集成電路的供應(yīng)商集成電路抗閂鎖LATCH-UP損傷的能力和在ESD靜電放電等級(jí)方面，是評(píng)定其集成電路可靠性的重要指標(biāo)，從而制造出更加優(yōu)秀的集成電路。

4.2.2 現(xiàn)如今在集成電路的失效分析過(guò)程中，我們一般都是進(jìn)過(guò)四步來(lái)進(jìn)行失效分析

首先針對(duì)失效集成電路開(kāi)封前的檢查。一般我們把開(kāi)封前的檢查稱作無(wú)損失效分析，就是在不損壞樣品，不出去電氣包裝的情況下，來(lái)判斷樣品是否失效的過(guò)程。無(wú)損失效分析技術(shù)一般分為兩個(gè)方面，外觀分析和X射線分析和掃描聲學(xué)顯微鏡分析。外觀分析，一般就是用肉眼進(jìn)行觀察，看集成電路外觀是否有明顯的損傷和缺失。就比如說(shuō)封裝是否牢固，引腳焊接是否有缺焊或者焊接缺陷等等。X射線檢分析是利用X射線的透視檢測(cè)樣品，如果樣品有缺陷的話，測(cè)試的X射線在成像的過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)不一樣的情況。X射線檢測(cè)一般能檢測(cè)出集成電路中引線方面缺陷的問(wèn)題。掃描聲學(xué)顯微鏡檢測(cè)則是運(yùn)用超聲波探測(cè)樣品內(nèi)部的缺陷，其主要的工作方式是能超聲波檢測(cè)樣品的內(nèi)部，通過(guò)內(nèi)部的情況反映出不同的反射時(shí)間和反射距離，然后通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理，找出樣品中有缺陷的部分。超聲波檢測(cè)一般檢測(cè)的是因?yàn)榧呻娐吩谒芊馐撬蚋邷貙?duì)元器件造成的損壞。相比有損失效分析損壞樣品、可能遺失樣品信息的缺點(diǎn)，無(wú)損失效分析技術(shù)更突顯出自身的優(yōu)勢(shì)。

其次是對(duì)已經(jīng)失效的集成電路進(jìn)行開(kāi)封采取鏡檢。開(kāi)封要嚴(yán)格做到不損壞集成電路的內(nèi)部線路，根據(jù)各自不同的目的或封裝方式，采用不同的開(kāi)封方法。以下是幾種普遍的開(kāi)封方法：

（1）全剝離法，是將集成電路外部完全去除，只保留內(nèi)部一個(gè)完整的芯片對(duì)內(nèi)部的電路進(jìn)行觀察，此方法的缺點(diǎn)是內(nèi)部電路引線都被破壞，將無(wú)法通電測(cè)試。

（2）局部去除法，它是利用研磨機(jī)對(duì)芯片上的樹(shù)脂進(jìn)行研磨直達(dá)芯片，如此做的優(yōu)點(diǎn)是在開(kāi)非的過(guò)程中不會(huì)傷害芯片內(nèi)部的電路和引線，開(kāi)封后的電氣元件還可以通過(guò)通電測(cè)試。

（3）全自動(dòng)法，是用硫酸噴射來(lái)去除想要去除的局部元件。

再次是對(duì)確認(rèn)失效的集成電路進(jìn)行電性分析。電性分析技術(shù)一般包括缺陷式定位、電路分析法以及微探針檢測(cè)分析三方面。

（1）缺陷定位。缺陷的具體定位是集成電路失效地位中一項(xiàng)重要而且困難的問(wèn)題。確定了元件的具體失效位置才能進(jìn)行下一步的工作。所以缺陷定位重要性不言而喻。OBIRCH技術(shù)、Emission顯微鏡技術(shù)以及液晶熱點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)是集成電路失效分析缺陷定位提供了更多的方法。

（2）電路分析法。就是通過(guò)集成電路的原理圖和芯片電路的圖紙，結(jié)對(duì)比芯片失效情況，逐步排查集成電路的失效形式，縮小檢查的范圍，然后運(yùn)用）微探針檢測(cè)技術(shù)確定失效的元件的方法。

（3）微探針檢測(cè)技術(shù)。微探針檢測(cè)技術(shù)一般是配合著電路分析法一起使用，用微探針來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)部器件上的電壓參數(shù)值，比如引腳的電壓、電流、伏安特性曲線等。

最后是對(duì)失效的集成電路通過(guò)物理分析。物理分析方式一般都分為聚焦離子束方式、掃描電子顯微鏡方式、透射電子顯微鏡方式以及VC定位技術(shù)。

（1）聚焦離子束（FIB）是運(yùn)用電透鏡把粒子束聚焦到一個(gè)特別微小的尺寸來(lái)對(duì)失效的集成電氣進(jìn)行切割的方式，一般聚焦離子束系統(tǒng)由離子源、離子束聚焦和樣品臺(tái)三部分組成。聚焦離子束主要對(duì)集成電路進(jìn)行剖面，而往的方法一般都是純手工研磨切除或者是全自動(dòng)法的方式去除，雖然說(shuō)傳統(tǒng)的這兩種方法可以得到內(nèi)部的元件，但其卻存在著手工操作人為因素大、失誤率高的風(fēng)險(xiǎn)。而聚焦離子束切削可以很精確的做到切削過(guò)程，而且切削準(zhǔn)確率高。

（2）掃描電子顯微鏡（SEM）是一種高分辨率的微型觀察儀器，它由掃描系統(tǒng)和信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)兩部分組成，其工作原理是通過(guò)聚焦的電子束沖擊電器元件表面從而反饋回來(lái)信號(hào)，然后將這些信號(hào)放大并呈現(xiàn)在連接的屏幕上產(chǎn)生圖像。經(jīng)過(guò)對(duì)圖像的分析對(duì)集成電路進(jìn)行判斷。

（3）透射電子顯微鏡（TEM） -般透射電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到O.lnm，相比掃描電子顯微鏡，它能夠更清晰的反映出集成電路上的一些問(wèn)題，對(duì)于集成電路的研究可以更加的深入，對(duì)于電路中的缺陷排查，能夠更準(zhǔn)確快速的查找和確認(rèn)。

（4） VC定位技術(shù)（Voltage Contrast）。該技術(shù)是自SEM或FIB的基礎(chǔ)上演變出來(lái)的新型技術(shù)，它的處出現(xiàn)在確定集成電路失效方面變得更為高效，更加快速的確定缺陷的位置。VC定位技術(shù)的工作原理就是利用SEM的電子束或者FIB的離子束在電路板表面進(jìn)行掃描來(lái)得到電路板表面不同位置的不同電勢(shì)，在屏幕上表現(xiàn)出來(lái)不同的亮度對(duì)比。VC定位技術(shù)則是通過(guò)檢測(cè)不同的亮度對(duì)比，找出異常的亮點(diǎn)，來(lái)確定失效點(diǎn)的位置。

5 集成電路對(duì)于我國(guó)未來(lái)的發(fā)展

在最近剛剛召開(kāi)的第十三屆全國(guó)人大一次會(huì)議上，中國(guó)國(guó)務(wù)院的總理李克強(qiáng)同志在新一《政府工作報(bào)告》中提到“推動(dòng)集成電路、第五代移動(dòng)通信、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、新能源汽車、新材料等產(chǎn)業(yè)發(fā)展”，這無(wú)疑是把集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展放在國(guó)家實(shí)體經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中的首要位置之一。我相信集成電路產(chǎn)業(yè)在國(guó)家的大力支持下，產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)在國(guó)內(nèi)將快速增長(zhǎng)。

而且國(guó)家在最近幾年來(lái)里相繼的推出一系列支持改革政策來(lái)推進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。預(yù)計(jì)在到2020年期間，集成電路產(chǎn)業(yè)將逐步雖小與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的之間的水平的差距，集成電路全行業(yè)的銷售收入年均水平將超過(guò)20%，同行業(yè)的電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能力也得到大的提高;而且在一些核心企業(yè)中一些核心的基礎(chǔ)零件40%達(dá)到自給自足，逐步擺脫電子產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)受限于外國(guó)的局面。在航空航天裝備、通信設(shè)備等產(chǎn)業(yè)中急需的核心電子元器）和關(guān)鍵材料的研發(fā)都得到國(guó)家大力的支持和推廣應(yīng)用。

在集成電路產(chǎn)業(yè)中，堅(jiān)持研發(fā)新型的、先進(jìn)制程工藝技術(shù)是未來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)的的發(fā)展方向，而實(shí)際中各種各樣的加工制程工藝特點(diǎn)又個(gè)不相同，先進(jìn)制造工藝和傳統(tǒng)制造工藝靈活運(yùn)用于不同的產(chǎn)品，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)在未來(lái)的發(fā)展之路任重道遠(yuǎn)。

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