金元石

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引 言

在集成電路板級應(yīng)用過程中，當(dāng)外界電應(yīng)力超過器件可承受的最大規(guī)范條件時(shí)，器件會性能減弱甚至損壞。外界電應(yīng)力主要分為ESD（Electro-Static Discharge）和EOS（Electrical Overstress）兩大類。ESD是瞬間的高電壓（大于1kV）、大電流（1～10A）效應(yīng)，能量達(dá)到微焦耳量級。而EOS 通常為長時(shí)間的低電壓（小于100V，持續(xù)時(shí)間1～100ms）、電流適中（0.1～1 A）的作用，其持續(xù)時(shí)間的長短和能量大小決定了對電路施加應(yīng)力的高低。長時(shí)間、大電流的過電應(yīng)力會產(chǎn)生大量的熱量，形成局部高溫，造成金屬布線融化或氧化層退化[1-2]。因此，集成電路板級應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免過電應(yīng)力的產(chǎn)生。

2 問題出現(xiàn)與初步排查

在實(shí)例中，有CD54HC245 型八雙向總線發(fā)送器/接收器在整機(jī)試驗(yàn)階段發(fā)生失效。失效發(fā)生時(shí)間為開機(jī)瞬間，失效現(xiàn)象為B6 端口輸出恒高。該產(chǎn)品采用DIP20 封裝，電源、地和控制端外含有8 路具有相同結(jié)構(gòu)的總線發(fā)送器/接收器，用戶使用其中7路，未被使用的A7、B7 端口均接地。失效電路的開蓋照片如圖1 所示。

圖1 故障器件開蓋分析

由圖中可見，地線分支區(qū)域出現(xiàn)兩處較為明顯的燒損點(diǎn)。經(jīng)分析，位于左上方的失效點(diǎn)為A6→B6方向上GND 總線與A6 引腳間的金屬布線地線分支燒損，導(dǎo)致電流無泄放通路，因此B6 端口輸出恒高，電路功能失效。同時(shí)，右下方的失效點(diǎn)為GND總線與B7 引腳間的金屬布線地線分支燒損，由于該金屬地線是多個并聯(lián)NMOS 管的地線之一，燒損點(diǎn)未完全破壞該路輸出功能，功能測試正常。兩處燒損點(diǎn)均為GND PAD 臨近位置，故障定位于器件地線支路燒毀。

3 失效分析

3.1 失效原因排查

失效電路為采用CMOS 工藝制造的單芯片電路，對靜電和異常電應(yīng)力干擾較為敏感。器件受到異常電應(yīng)力，即ESD 脈沖[3]、系統(tǒng)異常脈沖[4]和開關(guān)機(jī)浪涌電流[5]等，都可能對器件造成沖擊損壞器件。

3.1.1 ESD 脈沖

集成電路器件在運(yùn)輸、裝配過程中可能由于HBM（Human Body Model)、MM（Machine Model）、CDM（Charged Device Model）等靜電類型造成器件損傷、燒毀。HBM 為人體靜電模型，器件搬運(yùn)過程中帶電人體接觸器件可能造成過電應(yīng)力進(jìn)入器件；MM 為機(jī)器靜電模型，裝配、運(yùn)輸過程中可能在器件內(nèi)部積累電荷，系統(tǒng)通電瞬間形成泄放通路，器件內(nèi)部積累的電荷瞬間對地泄放形成的瞬時(shí)大電流可能造成器件燒毀；CDM 為充電模型，器件運(yùn)輸、裝配過程中可能因殼體摩擦使殼體帶靜電，系統(tǒng)通電瞬間形成泄放通路，殼體將通過芯片和引出端對地放電。

ESD 失效發(fā)生時(shí)，通常因?yàn)樗矔r(shí)熱量集中，PN結(jié)被熔毀，造成產(chǎn)品漏電。在產(chǎn)品ESD 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未出現(xiàn)問題的情況下，不會出現(xiàn)金屬熔斷的情況。

3.1.2 系統(tǒng)異常脈沖

根據(jù)失效電路使用環(huán)境，在8 路雙向總線發(fā)送器/接收器中，用戶使用其中7 路，未使用的A7、B7端口均接地。當(dāng)外圍環(huán)境電壓出現(xiàn)波動時(shí)，接地端口與電源端之間可能出現(xiàn)負(fù)向壓差，電流會由接地端口倒灌入器件。電流泄放路徑上金屬布線較細(xì)時(shí)，確實(shí)可能由于熱集中造成金屬熔毀。

3.1.3 開關(guān)機(jī)浪涌電流

大型設(shè)備都具有大感性和容性負(fù)載。設(shè)備開關(guān)機(jī)時(shí)，由于感性和容性負(fù)載的瞬時(shí)充放電過程會產(chǎn)生較大的干擾尖脈沖，高壓干擾電壓會從公共的地線串?dāng)_到整機(jī)系統(tǒng)中，若地線隔離不好或接地方式不合適，都會導(dǎo)致尖脈沖高壓對敏感元器件形成干擾，嚴(yán)重時(shí)會燒毀器件。此類現(xiàn)象可通過對工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測排查。本電路通過對試驗(yàn)板和試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)此類過電應(yīng)力。

3.2 仿真研究

失效電路損傷位置為地線分支，由失效現(xiàn)象分析，這是由于地端與電源端產(chǎn)生負(fù)向壓差，倒灌入地端的電流在金屬連線上形成熱集中，造成金屬連線燒損所導(dǎo)致的。針對失效現(xiàn)象，對電路8 路通道中的一路通道進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

圖2為A6、B6 端口電路圖。圖中標(biāo)識A 為芯片試驗(yàn)后金屬連線熔斷點(diǎn)。經(jīng)過仿真，與A 點(diǎn)有關(guān)的兩路晶體管PM0、NM0 和PM1、NM1 在上電時(shí)電流流向如圖2 中I1、I2所示。

圖2 A6、B6 端口芯片電路圖

圖3為仿真波形圖，從上至下依次為電源電壓（VDD）、第一路兩個晶體管的漏極電流（NM0.d、PM0.d）、第二路兩個晶體管的漏極電流（NM1.d、PM1.d）等五種情況。其中，電源電壓激勵先為零電壓，再轉(zhuǎn)為負(fù)電壓情況。從圖中可以看到，當(dāng)電源電壓為負(fù)電壓時(shí)，第一路存在大約為199mA 的電流I1，而第二路存在約為414mA 的電流I2。從版圖上看，連接兩個NMOS 管（NM0 和NM1）的金屬線線寬為6μm，而流過該金屬線的電流約為I1+I2=613mA。正常情況下，線寬為6μm 的金屬布線只能允許6mA的電流流過，600mA 電流將會造成金屬連線熔斷。

圖3 A6、B6 端口金屬熔絲熔斷仿真波形

進(jìn)一步分析，此熔斷原因?yàn)椋寒?dāng)電源電壓為負(fù)電壓時(shí)，其CMOS 反相器的NMOS 管和PMOS 管構(gòu)成正向偏置P-N 結(jié)，形成了從高電壓經(jīng)過兩個P-N結(jié)導(dǎo)向低電壓的電流通路[6-7]，如圖4 所示。

圖4 CMOS 反相器加入負(fù)電壓后的直流通路示意圖

圖中，GND 電壓高于VDD 電壓（負(fù)電壓），NMOS管P 阱到N+有源區(qū)形成第一個正向偏置二極管D1，PMOS 管從P+有源區(qū)到N 襯底形成第二個正向偏置二極管D2。如果電源電壓為負(fù)壓，則形成GND→D1→D2→VDD 的直流大電流通路，熔斷金屬連線（金屬線越細(xì)的地方越容易熔斷，圖2 所示的A 點(diǎn)即為這條地線中最細(xì)的地方）。

圖5為A7、B7 端口電路圖。圖中標(biāo)識B 點(diǎn)處為芯片試驗(yàn)后金屬連線熔斷點(diǎn)，其金屬連線熔斷原因與上述A6、B6 基本相同。

圖5 A7、B7 端口芯片電路圖

3.3 失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，采用與仿真試驗(yàn)相同的條件進(jìn)行地端加壓試驗(yàn)，取指標(biāo)合格的產(chǎn)品一只，采用如圖6 所示的連接方式進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)連接方式

從電源端引入-5V 電壓后，A7 引腳與地之間的NMOS 器件出現(xiàn)損傷。損傷位置如圖7 所示。

圖7 L54HCT245 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)失效點(diǎn)

復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)失效點(diǎn)電路如圖8 所示。在復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中，A7、B7 端口的金屬連線熔斷原因與用戶原失效電路基本相同，均為從端口引入負(fù)向壓差形成的閂鎖效應(yīng)造成的。根據(jù)仿真結(jié)果，地端與電源端引入負(fù)向壓差會造成電流由接地端流向電源端，低壓差長時(shí)間的電流集中或高壓差短時(shí)間的瞬時(shí)大電流集中的位置均會造成金屬燒損。CD54HC245 產(chǎn)品板級應(yīng)用時(shí)，將A7、B7 端口連接至地端，產(chǎn)品上電瞬間產(chǎn)生的負(fù)向脈沖從A7、B7 端口進(jìn)入電路內(nèi)部，形成由A7、B7 端口流向電源端的電流。數(shù)字電路的I/O端口在引入負(fù)向電壓時(shí)會由于PNPN 結(jié)構(gòu)引發(fā)閂鎖效應(yīng)，形成的大電流造成了故障電路的金屬燒損。燒損位置由電流路徑上的金屬臺階高度和金屬寬度有關(guān)，金屬臺階越高，臺階上覆蓋的金屬厚度越薄。金屬厚度薄、寬度窄的區(qū)域在電流集中時(shí)更容易燒損[8]，而臺階厚度和寬度受工藝波動影響，每只電路存在差異，因此，復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)燒損的位置與故障電路不同。

圖8 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)失效點(diǎn)電路圖

通過復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證，未使用I/O 引腳與地線引腳短接，接地的I/O 引腳與電源端引入負(fù)向壓差時(shí)，引發(fā)端口電路閂鎖，造成厚度薄、寬度窄的金屬布線燒損，與失效電路故障現(xiàn)象相符。

4 結(jié) 束 語

以某CD54HC245 器件在產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)的過電應(yīng)力損傷為案例，以原理分析、鏡檢與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法，逐一排查失效源，完成失效分析。鏡檢與仿真分析等手段能夠提供數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合實(shí)際使用方法，最終定位問題所在，經(jīng)過試驗(yàn)使問題再次復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證了分析的正確性。該方法也可為未來多通道電路使用過程中出現(xiàn)同類問題時(shí)進(jìn)行失效分析提供基礎(chǔ)保障。