金元石

（中國電子科技集團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，當外界電應(yīng)力超過器件可承受的最大規(guī)范條件時，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)，能量達到微焦耳量級。而EOS 通常為長時間的低電壓（小于100V，持續(xù)時間1～100ms）、電流適中（0.1～1 A）的作用，其持續(xù)時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)計時應(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

在實例中，有CD54HC245 型八雙向總線發(fā)送器/接收器在整機試驗階段發(fā)生失效。失效發(fā)生時間為開機瞬間，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。經(jīng)分析，位于左上方的失效點為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，右下方的失效點為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，燒損點未完全破壞該路輸出功能，功能測試正常。兩處燒損點均為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，器件搬運過程中帶電人體接觸器件可能造成過電應(yīng)力進入器件；MM 為機器靜電模型，裝配、運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大電流可能造成器件燒毀；CDM 為充電模型，器件運輸、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，通常因為瞬時熱量集中，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。當外圍環(huán)境電壓出現(xiàn)波動時，接地端口與電源端之間可能出現(xiàn)負向壓差，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時，確實可能由于熱集中造成金屬熔毀。

3.1.3 開關(guān)機浪涌電流

大型設(shè)備都具有大感性和容性負載。設(shè)備開關(guān)機時，由于感性和容性負載的瞬時充放電過程會產(chǎn)生較大的干擾尖脈沖，高壓干擾電壓會從公共的地線串擾到整機系統(tǒng)中，若地線隔離不好或接地方式不合適，都會導致尖脈沖高壓對敏感元器件形成干擾，嚴重時會燒毀器件。此類現(xiàn)象可通過對工作環(huán)境進行監(jiān)測排查。本電路通過對試驗板和試驗環(huán)境進行排查，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致的。針對失效現(xiàn)象，對電路8 路通道中的一路通道進行仿真試驗。

圖2為A6、B6 端口電路圖。圖中標識A 為芯片試驗后金屬連線熔斷點。經(jīng)過仿真，與A 點有關(guān)的兩路晶體管PM0、NM0 和PM1、NM1 在上電時電流流向如圖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)為負電壓情況。從圖中可以看到，當電源電壓為負電壓時，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

進一步分析，此熔斷原因為：當電源電壓為負電壓時，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 反相器加入負電壓后的直流通路示意圖

圖中，GND 電壓高于VDD 電壓（負電壓），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（金屬線越細的地方越容易熔斷，圖2 所示的A 點即為這條地線中最細的地方）。

圖5為A7、B7 端口電路圖。圖中標識B 點處為芯片試驗后金屬連線熔斷點，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)象復現(xiàn)

為了進一步驗證分析結(jié)果，采用與仿真試驗相同的條件進行地端加壓試驗，取指標合格的產(chǎn)品一只，采用如圖6 所示的連接方式進行試驗。

圖6 復現(xiàn)試驗連接方式

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 復現(xiàn)試驗失效點

復現(xiàn)試驗失效點電路如圖8 所示。在復現(xiàn)試驗中，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向壓差會造成電流由接地端流向電源端，低壓差長時間的電流集中或高壓差短時間的瞬時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，將A7、B7 端口連接至地端，產(chǎn)品上電瞬間產(chǎn)生的負向脈沖從A7、B7 端口進入電路內(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端口在引入負向電壓時會由于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，復現(xiàn)試驗燒損的位置與故障電路不同。

圖8 復現(xiàn)試驗失效點電路圖

通過復現(xiàn)試驗驗證，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向壓差時，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)合實際使用方法，最終定位問題所在，經(jīng)過試驗使問題再次復現(xiàn)，驗證了分析的正確性。該方法也可為未來多通道電路使用過程中出現(xiàn)同類問題時進行失效分析提供基礎(chǔ)保障。