某A/D轉(zhuǎn)換器老化過程中端口異常失效分析

王媛，白璐，詹勇，張盼盼

（中國電子科技集團第24研究所，重慶 400060）

某A/D轉(zhuǎn)換器老化過程中端口異常失效分析

王媛，白璐，詹勇，張盼盼

（中國電子科技集團第24研究所，重慶 400060）

近年來，關(guān)于電子元器件的失效分析技術(shù)對于產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用具有越來越重要的意義。作為模擬IC設(shè)計、生產(chǎn)單位，通過試驗驗證和分析找到失效原因，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、測試、生產(chǎn)過程中存在的問題，以不斷改進產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)水平，提高產(chǎn)品的可靠性。本文通過對某A/D轉(zhuǎn)換器老化后端口異常進行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在老化試驗條件的選擇存在問題，文中不僅給出失效原因，同時提出了改進措施。此次失效分析表明產(chǎn)品老化試驗可靠性的評價以及風險評估的重要性。

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)計定型后開始首批供貨，目前僅供貨一個批次。

2016年7月，某生產(chǎn)批電路按A/D轉(zhuǎn)換器詳細規(guī)范進行100 %篩選，篩選過程中，該批電路老化前測試合格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38只數(shù)字端口特性異常或功能異常的電路開展的詳細的失效分析。

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異常。

2）開帽鏡檢

對失效電路進行開帽鏡檢，電路內(nèi)部鍵合絲及芯片表面均無異常。

3）老化系統(tǒng)、測試系統(tǒng)檢查

對A/D轉(zhuǎn)換器老化系統(tǒng)及測試系統(tǒng)進行檢查，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，并與合格電路進行對比，如圖1所示。

在10只功能異常的電路中選取3只電路進行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，并與合格電路進行對比，如圖2所示。

對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）功能簡介

該型A/D轉(zhuǎn)換器采用0.35 mm CMOS工藝制作的半導體集成電路。內(nèi)含高精度基準、時鐘穩(wěn)定電路、流水線信號處理電路、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、寬動態(tài)范圍信號數(shù)字化處理而設(shè)計，模擬輸入必須由一個差分輸入信號驅(qū)動，模擬輸入范圍通過外部PGA控制進行設(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，模擬輸入信號通過采樣/保持電路進入6+5+5+5+4五級流水線結(jié)構(gòu)，每級流水線依次對輸入電壓進行量化，產(chǎn)生多級輸出數(shù)據(jù)，再通過數(shù)字校正、輸出驅(qū)動電路，最終生成16位輸出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從模擬信號到16位數(shù)字信號的轉(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、工藝缺陷；外部電應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，下面對這三種原因進行排查分析。

①設(shè)計、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只電路進行篩選摸底，全部合格。因此，可排除設(shè)計、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

表1 過電試驗結(jié)果

表2 靜電試驗結(jié)果

②外部電應力

在該批電路老化前測試合格至老化后測試的過程中，如果引入過電或者靜電，均有可能導致A/D轉(zhuǎn)換器端口特性異常。為排除或驗證外部電應力導致失效原因，對電路進行了以下分析驗證。

A）過電試驗

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，當電源電壓超過5.5 V時，可能會對器件造成擊穿或者潛在的損傷。針對該原因，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，隨后取出電路對其進行測試，具體結(jié)果如表1所示。

對過電試驗后的不合格的3只電路進行IO端口特性曲線掃描，其端口特性曲線正常。結(jié)合測試結(jié)果分析，可以排除在老化過程中因過電導致電路端口特性異常的情況。

B）ESDS試驗

如果A/D轉(zhuǎn)換器遭受外部異常靜電應力時，可能會導致其端口特性異常。因此為確認是否為靜電導致本批產(chǎn)品失效，分別選取3只電路進行200 V、250 V、300 V的機械靜電模式的靜電試驗，試驗后對電路進行測試，并掃描其IO端口曲線，具體試驗結(jié)果如表2所示。

圖5為200 V、250 V、300 V機械靜電試驗后A/D轉(zhuǎn)換器的IO端口曲線。從曲線可以看出，200 V機械靜電試驗后，試驗電路的模擬輸出端口短路；合格電路的數(shù)字輸出端口的導通電壓大于0.4 V，在進行250 V，300 V靜電試驗后，導通電壓分別減小為0.3～0.4 V，0.2～0.3 V，可以表明靜電會對電路的輸出端口造成一定的損傷。依據(jù)靜電失效的機理，存在過壓將MOS器件的柵源擊穿或過流將MOS器件漏源擊穿形成短路。通過以上分析，靜電試驗結(jié)果與失效電路端口開路或者高阻的現(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 機械靜電試驗前后電路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、引線、管殼之間連接異常，會引入較大的接觸電阻，甚至開路。若A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出端開路或者是電阻過大，在測試時會表現(xiàn)出數(shù)字輸出端口特性異常、動態(tài)參數(shù)差、甚至功能異常的現(xiàn)象。該失效機理符合本批次失效電路的失效現(xiàn)象。

為了對該批電路的鍵合絲進行故障排查，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）進行破壞性鍵合拉力試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。根據(jù)試驗結(jié)果可以看出，3只電路的破壞性鍵合拉力試驗均不合格，最小拉力值僅為0.19 gf，且失效模式為C模式。在該試驗中，僅有113#電路的7個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結(jié)果

綜上，不排除鍵合絲接觸不良導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行破壞性建合拉力試驗，試驗結(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程中導致鍵合絲接觸不良。下面對老化過程進行分析、排查。

①老化箱

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

②老化板

對老化板進行檢查，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，當溫度達到150 ℃即有可能發(fā)生金鋁反應。該A/D轉(zhuǎn)換器正常工作時功耗約為1.3 W，根據(jù)對A/D轉(zhuǎn)換器的熱成像摸底結(jié)果可知其溫升約為38 ℃。為了實際驗證老化時電路的溫度，我們選取同批次電路進行老化試驗（125 ℃、24 h），試驗過程中用點溫計監(jiān)測電路管殼的溫度，電路管殼的溫度達154.3 ℃，可以說明其芯片內(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結(jié)果

因此不排除在老化過程中高溫導致金鋁反應發(fā)生，使得電路端口特性異常。

2 失效機理

該A/D轉(zhuǎn)換器采用金鋁鍵合系統(tǒng)，由于金、鋁兩者的化學勢不同，Au-Al鍵合系統(tǒng)經(jīng)過高溫貯存后，會產(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，且電導率低，因此當溫度變化時，鍵合點會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，從而導致接觸電阻增大，甚至導致性能退化或者開路。另外金鋁原子的擴散系數(shù)不同，當在高溫時，Au、Al原子會相互擴散，且Au比Al擴散的快，長期高溫下會產(chǎn)生柯肯德爾空洞[2]，逐漸形成鍵合點界面或者周邊空隙，引起接觸不良或引線脫落，導致開路失效。

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

3 糾正措施

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

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

3）針對老化超溫導致電路失效的問題，做以下處理：對新產(chǎn)品，在產(chǎn)品規(guī)范審核過程中，增加產(chǎn)品老化可靠性評價；針對現(xiàn)有產(chǎn)品，生產(chǎn)前，全部進行產(chǎn)品老化風險評估；強制推行產(chǎn)品老化板過壓、過流保護措施。以避免類似問題發(fā)生。

4 結(jié)論

1）在篩驗老化試驗過程中，老化試驗條件為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150 ℃，長時間的高溫導致其發(fā)生金鋁反應，使得接觸電阻增大或者開路，從而導致該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）本次老化超溫導致電路失效的問題，說明產(chǎn)品老化試驗的可靠性評價和風險評估是非常重要的，通過此措施，以避免類似問題再次發(fā)生。

[1]暢興平. 混合集成電路中金鋁鍵合可靠性的實驗設(shè)計[J]. 襄樊學院學報. 2011, 32(8): 36-40.

[2]劉建, 嚴欽云, 恩云飛, 等. 金鋁鍵合壽命評價方法研究[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：中國電子科技集團第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)計工作。

白 璐：中國電子科技集團第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)計工作。

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

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