軍用集成電路失效分析

孫家坤（中船重工第716研究所，江蘇連云港，222000）

軍用集成電路失效分析

孫家坤
（中船重工第716研究所，江蘇連云港，222000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集成電路在我國軍用武器裝備上的應(yīng)用越來越廣泛，其可靠性成為制約我國武器裝備質(zhì)量的一項(xiàng)重要因素，失效分析是集成電路可靠性及質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)，本文從失效分析的流程、方法、技術(shù)及發(fā)展入手，對軍用集成電路的失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的講解，隨著元器件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷提高及失效分析技術(shù)和工具的逐步完善，失效分析工作將在集成電路質(zhì)量控制方面發(fā)揮更大的作用。

集成電路；失效分析；電性分析；物理分析

0 引言

失效分析是一種確定產(chǎn)品失效原因的診斷過程，失效分析技術(shù)已經(jīng)在電子元器件行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，集成電路作為電子元器件的代表產(chǎn)品，在軍用武器裝備中應(yīng)用越來越廣泛，其質(zhì)量直接影響到的軍用武器裝備的可靠性。失效分析作為集成電路質(zhì)量和可靠性保證體系的重要組成部分 ，它是利用電、物理、化學(xué)等各種技術(shù)查找失效模式和失效機(jī)理，向設(shè)計(jì)和制造工藝及時(shí)提供相關(guān)信息，由于集成電路從設(shè)計(jì)到制造過程非常復(fù)雜，每一個(gè)過程引入的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品的失效，因此失效分析是一個(gè)極其復(fù)雜的技術(shù)過程。失效分析的目的是盡可能多的從現(xiàn)場失效和試驗(yàn)失效中去搜尋相關(guān)信息（失效形態(tài)、失效表現(xiàn)現(xiàn)象、失效結(jié)果等）進(jìn)行歸納總結(jié)分析集成電路的失效模式，分析驗(yàn)證失效機(jī)理，并對失效模式和失效機(jī)理采取有效地措施，最終不斷提高產(chǎn)品可靠性。

1 軍用集成電路失效分析基本流程

1.1 失效分析遵循的基本規(guī)律

失效分析的流程非常繁瑣，但是其遵循的基本規(guī)律基本是相同的。

(1)先進(jìn)性非破壞性分析后進(jìn)行破壞性分析。

(2)先進(jìn)行外部分析，后進(jìn)行內(nèi)部分析。

(3)先調(diào)查了解與失效有關(guān)的情況，后分析失效器件。

即對于失效的集成電路，要以非破壞性檢查為先，非破壞性分析不能發(fā)現(xiàn)失效原因的情況下再對失效集成電路進(jìn)行進(jìn)一步檢查。不同的集成電路及不同的失效模式都對應(yīng)不同的分析流程，有的只需檢查外部封裝就可以發(fā)現(xiàn)失效模式，有的則需進(jìn)行深入的電路分析及配合高精度的設(shè)備才能確定其失效模式，所以進(jìn)行失效分析時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行以免引入新的失效因素。

1.2 失效分析的一般步驟

典型的失效分析的一系列步驟如下所示。

(1)對失效模式進(jìn)行分析驗(yàn)證，測試人員有可能錯(cuò)誤定義了集成電路的失效模式，導(dǎo)致失效分析人員得到的失效信息是錯(cuò)誤的，對失效模式進(jìn)行確認(rèn)可以避免后續(xù)不必要的工作產(chǎn)生。

(2)失效種類的確認(rèn)。失效種類可以理解為電性上的失效以及物理上的失效特征，對應(yīng)電性上的有參數(shù)上的失效、有漏電流產(chǎn)生的失效等。而對應(yīng)物理的失效有封裝損壞、腐蝕等，與此同時(shí)還要搞清楚失效產(chǎn)生的測試環(huán)境。

(3)確定需要分析的失效類別。一個(gè)集成電路可能存在很多的失效機(jī)理，但是不同的測試條件下可能只能確定其中一種特定的失效種類，分析錯(cuò)誤的或者是不完全的失效種類最終得到的很可能不是期望得到的失效機(jī)理，因此正確分的析失效種類尤為重。

(5)確認(rèn)失效機(jī)理，確定失效的位置。所有失效分析技術(shù)最終都是為了確定缺陷位置以及失效機(jī)理，所以這一步至關(guān)重要。

(6)根據(jù)失效位置及失效機(jī)理確定相應(yīng)的改正行為。到了這一步就是整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要共同完成的了，包括可靠性、工藝、設(shè)計(jì)和測試等。

(7)總結(jié)歸檔反思。即使得到了正確的失效機(jī)理并定位了缺陷所在的位置，但是一些失效模式還是會再次或反復(fù)出現(xiàn)。因而養(yǎng)成歸檔總結(jié)反思的習(xí)慣，逐步積累經(jīng)驗(yàn)可以減少后續(xù)出失效分析的分析時(shí)間并加快設(shè)計(jì)及工藝上的改進(jìn)。

2 失效分析技術(shù)解析

2.1 失效分析應(yīng)用的技術(shù)

隨著集成電路的集成度越來越高，導(dǎo)致其失效分析的難度和失效分析的投入越來越大，只有將失效的種類進(jìn)行劃分，將其分門別類，并按重要性的高低排列出來，優(yōu)先分析重要的失效種類，才能充分利用資源，以免造成不必要的消耗，失效分析的技術(shù)大致分為兩種。

(1)非破壞性失效分析

非破壞性失效分析不會對集成電路產(chǎn)生毀壞而引入新的失效機(jī)理，同時(shí)這些非破壞性的技術(shù)也不會對后續(xù)器件的使用造成損傷，非破壞性失效分析技術(shù)對集成電路的失效分析是十分必要的，且器件失效分析技術(shù)和儀器設(shè)備都是以非破壞性為終極目標(biāo)的。典型的分析手段如光鏡檢測、電性能方面測試、非電性能方面測試等

(2)破壞性失效分析

破壞性失效分析會對半導(dǎo)體器件產(chǎn)生不可逆的損傷，并且使得相應(yīng)的電性能分析無法在進(jìn)行，所以在進(jìn)行破壞失效分析之前必須要先完成非破壞性失效分析以及電性能方面的測試，確認(rèn)缺陷所在的位置。很多失效案例中，破壞性技術(shù)手段可以作為判別失效種類產(chǎn)生根源與我們所判斷的是否一樣的依據(jù)。包括：開封、第一優(yōu)先級的分析技術(shù)、物理分析技術(shù)、EDS、SEM等。

2.2 失效分析技術(shù)研究

軍用集成電路失效分析各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之間的關(guān)系如下圖所示。

圖1 軍用集成電路失效分析各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之間的相互聯(lián)系

2.2.1 失效現(xiàn)象的確認(rèn)

集成電路失效以后，首先要對失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)集成電路的應(yīng)用搭建相應(yīng)的驗(yàn)證平臺，確認(rèn)失效現(xiàn)象，此外還包括查看自動測試設(shè)備的測試結(jié)果和管腳的特性測試。自動測試設(shè)備的測試是根據(jù)電路所完成的功能來模擬電路的使用條件，然后編制自動測試程序，施加電應(yīng)力。通過這種方法可以判斷失效電路存在設(shè)計(jì)方面的失效，還是偶然出現(xiàn)的失效。但是自動測試給出的一系列數(shù)據(jù)，并不能直觀的反應(yīng)出器件的特性，通過專用的V-I測試夾具，并配合圖示儀，可以準(zhǔn)確測出管腳端口的V-I 特性，確定失效管腳，為后續(xù)缺陷定位提供比較精準(zhǔn)的定位。

2.2.2 開封前檢查

分析失效的集成電路，第一步要做的就是開封前封裝方面的檢查，以確定在封裝環(huán)節(jié)芯片是否有物理上的損傷，比如封裝內(nèi)部DIE和FRAME分層。BOND線斷裂等，這些缺陷都可以在開封前的封裝檢查環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，這一環(huán)節(jié)主要包括：外觀檢查、X射線透視檢查和掃描聲學(xué)顯微鏡檢查：

(1)外觀檢查，外觀檢查是最直觀最簡單的分析手段，可以在顯微鏡下觀察繼承地那路的封裝是否開裂，芯片管腳是否接觸良好等，

(2)X射線檢查，利用X射線儀可以檢查塑封樹脂中的空洞、燒斷金絲、封裝裂縫、芯片斷裂、金球剝離等情況。

(3)掃描聲學(xué)顯微鏡檢查，作為一項(xiàng)比較重要的無損檢測技術(shù)，掃描聲學(xué)顯微鏡在檢測材料的性能、內(nèi)部缺陷方面都有著其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能觀察到光學(xué)顯微鏡所無法觀察到的樣品內(nèi)部區(qū)域，能提供X射線無法得到的高襯度觀察，非常適用于不宜使用破壞物理分析的場合。

2.2.3 打開封裝

通過上述開封前檢查測試，只能對電路的失效模式做一個(gè)比較初步的判定，而我們更關(guān)心的是缺陷的精確位置或者是問題的根源所在。這就要求我們對電路進(jìn)行更深層次的剖析，剝開芯片封裝，暴露出DIE表面，而對芯片的功能沒有影響，為接下來進(jìn)行的電性分析和物理分析做鋪墊。對以不同封裝形式的集成電路和不同的分析目的，應(yīng)采用不同的去封裝解剖方式。對于塑封電路一般采用以下三種方法。

(1)全剝離法：將電路放在電爐上進(jìn)行烘烤，到一定程度后用鉗子和鑷子掰開電路，然后再用防靜電鑷子將芯片加出。這種開封方式適用于從失效模式判斷集成電路有外來無污染或者是腐蝕的情況，例如鹽霧試驗(yàn)后或者是在特別的應(yīng)用環(huán)境下應(yīng)用的樣品解剖，但是由于金絲和引線的連接被破壞，所以不宜做動態(tài)分析。

(2)局部去除法：局部去除法又分為研磨法、鉆孔法、粘貼法等。研磨法是用研磨機(jī)盡可能多的研磨樹脂，使得其盡可能近的接觸芯片表面但是又不破壞金絲，再將其放置于加熱的硝酸中腐蝕出芯片。鉆孔法比較適用于雙列直插封裝形式的電路剖析，它是將芯片放于精密銑床上，然后在芯片所在位置銑出與芯片大小相同的孔，當(dāng)銑到接近芯片表面時(shí)，將電路放置于電爐上并在孔內(nèi)滴入加熱的發(fā)煙硝酸，從而腐蝕出芯片。粘貼法適用于小外封裝的電路和扁平封裝的電路，先將電路粘貼在膠帶紙上用刀片鏤空，然后在放置于酸中進(jìn)行腐。

(3)全自動法：目前國外有公司生產(chǎn)全自動剖析儀對塑封電路做局部腐蝕，這種設(shè)備由于安全而受到客戶的青睞，但是有專家指出這種設(shè)備由于硫酸腐蝕時(shí)間過長，空氣進(jìn)入設(shè)備后會導(dǎo)致設(shè)備自動停下，所以其應(yīng)用也受到了很大的限制。

2.2.4 鏡檢

鏡檢是顯微鏡檢查的簡稱，適用于芯片的表面檢查，如白霧、變色、鈍化、有無導(dǎo)電銀漿外溢等。

2.2.5 電性分析

電性分析是物理分析的前提，通過電性分析能夠?qū)⑷毕菥唧w定位到芯片上的具體位置，電性分析具體內(nèi)容包括：

(1)缺陷定位：半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)追求高質(zhì)量、快速度、低成本的行業(yè)，快速設(shè)計(jì)、快速實(shí)效定位及快速修正是半導(dǎo)體行業(yè)的三個(gè)管腳步驟，快速的點(diǎn)定位成了一個(gè)承上啟下的中軸，隨著技術(shù)的發(fā)展，失效點(diǎn)快速定位的手段和技術(shù)也越來越成熟，如Emission1顯微鏡、OBIRCH、液晶熱點(diǎn)檢測技術(shù)等

(2)電路分析：根據(jù)缺陷定位的定位到的缺陷點(diǎn)位置，運(yùn)用數(shù)模電路知識進(jìn)行電路分析，縮小缺陷點(diǎn)電路的范圍，再結(jié)合探針檢測定位失效器件。

(3)微探針檢測分析：根據(jù)上述失效定位得到的電路某個(gè)功能模塊的失效，將這一個(gè)模塊或者器件單獨(dú)隔離并將為探針探到模塊的內(nèi)部器件上進(jìn)行相關(guān)電參數(shù)的分段測試，最后確定失效機(jī)。

2.2.6 物理分析

失效集成電路的物理分析技術(shù)現(xiàn)階段主要有四種方式：失們追求的是LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的質(zhì)量和安全度。因此，我們需要充分了解LTE-FDD技術(shù)的相關(guān)知識以及相關(guān)的LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并且制定一個(gè)目標(biāo)以及要采取有效詳細(xì)的措施，盡最大可能的完成既定的目標(biāo)。因此，我們應(yīng)當(dāng)結(jié)合LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際情況，具體問題具體分析，努力追求和實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量目標(biāo)。

2.6 加強(qiáng)對LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項(xiàng)檢查

LTE-FDD技術(shù)的規(guī)范設(shè)計(jì)與應(yīng)用具體來說就是對目前已經(jīng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)檢查，例如，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、各種硬件設(shè)備的檢查等等，同時(shí)，通過對LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，從中得出影響LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素，在此基礎(chǔ)上對這一問題進(jìn)行研究分析，及時(shí)找出相應(yīng)的解決措施，更好的保障LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性。

2.7 保障安全有效的信息傳輸

加強(qiáng)LTE-FDD技術(shù)的規(guī)范設(shè)計(jì)與應(yīng)用，還要加強(qiáng)技術(shù)手段來避免對LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化干擾，這樣做可以減少LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的設(shè)備故障問題，以便于對用戶的信息進(jìn)行及時(shí)的采集。除此之外，還可以保障LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線信號覆蓋，加強(qiáng)對各種數(shù)據(jù)的分析研究，一旦發(fā)現(xiàn)有異常的情況，及時(shí)的采取措施，以此來保障信息傳輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性，從而能夠保障LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，增強(qiáng)LTEFDD技術(shù)的規(guī)范設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

綜上所述，通過本文對LTE-FDD技術(shù)的規(guī)范設(shè)計(jì)與應(yīng)用的相關(guān)介紹，我們了解了LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)無線設(shè)計(jì)優(yōu)化的優(yōu)勢之處以及強(qiáng)化LTE-FDD技術(shù)的規(guī)范設(shè)計(jì)與應(yīng)用的措施，這對于我們更好的掌握LTE-FDD技術(shù)起到了很大的幫助作用，從而能夠最大限度地提高LTE-FDD技術(shù)的規(guī)范設(shè)計(jì)與有效運(yùn)用，保障LTE-FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，保證我國移動通信公司的穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定。

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Failure Analysis on Military Integrated circuit

Sun JiaKun
((No. 716 Research Institute of China shipbuilding industry,Lianyungang Jiangsu, 222000)

with the development of science and technology，the application of the integrated circuit (IC) in Chinese armament quality，failure analysis is taken as one of the important chain for IC reliability and quality assurance，in view of the flow，method，and development for failure analysis，this thesis explains failure mode and failure mechanism on military IC in detail，with continuous improvement of component design and manufacture technology and gradual perfection of failure analysis technology and tool，failure analysis will play more important role in the light of IC quality control

Integrated circuit；Failure analysis；Electrical analysis；Physical anaylysis

TN43 文獻(xiàn)標(biāo)示碼A