一種高壓驅動集成電路的失效機理分析

白潔　趙冰清　魯要強　耿曉瑞

摘 要：針對一種高壓驅動芯片的失效問題，本文分析了其失效機理，主要通過電性能分析、光學顯微鏡分析、透射射線分析和開蓋檢查等分析手段，定位了該集成電路的失效點和失效機理，并通過復現試驗確認了驅動芯片失效的原因。輸入端的高能量外部過電應力（EOS）過流與過熱，使晶圓內部線路發生熔化，造成驅動芯片的輸入端和電源正極短路，引發器件失效。

關鍵詞：驅動芯片;EOS;失效

中圖分類號：TN401 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0045-03

Failure Mechanism Analysis of a High Voltage Drive IC

BAI Jie ZHAO Bingqing LU Yaoqiang GENG Xiaorui

（Gree Electric Appliances （Zhengzhou） Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Aiming at the failure problem of a high voltage driver chip， this paper analyzed its failure mechanism， and located the failure point and failure mechanism of the integrated circuit mainly through electrical performance analysis， optical microscope analysis， transmission ray analysis and open cover inspection， and confirmed the cause of the failure of the driver chip by the recurrence test. The high-energy external over-current stress （EOS） overcurrent and over-heat at the input end melts the internal wiring of the wafer， causing the input terminal of the driver chip and the positive terminal of the power supply to be short-circuited， causing device failure.

Keywords： driver chip;EOS;failure

KID65783AP是由KEC公司生產的一種高壓驅動集成電路，該款芯片為雙列直插18腳封裝。工作電壓最高可達50V，單路電流為500mA，功耗為1.47W。該芯片廣泛應用于各類加電產品的顯示驅動電路中，尤其是需要驅動高電壓的LED時，它通常可以和ULN2003芯片配合組成LED驅動放大電路，從而很好地解決普通MCU驅動能力偏弱的問題[1，2]。

本文結合KID65783AP芯片失效導致空調顯示板顯示異常的1個實際案例，淺談該類芯片失效分析的基本步驟和常見方法。在該案例中，筆者按照失效現場樣失效數據的收集、電測性能、非破壞性分析和破壞性分析等步驟，最終確認了芯片失效的原因。其間利用相關試驗復現失效現象，最終提出提升產品可靠性的優化方案，從根本上解決該問題。該案例可以為其他家電產品生產制造期間進行失效排查和預防整改提供參考，具有較強的現實指導意義。

1 事件背景

在1周時間內，空調總裝廠生產線連續出現15例相同故障：空調整機運行測試過程期間，顯示器顯示內容錯亂。經詳細排查，筆者確認該故障是由空調顯示板上使用的KID65783AP驅動芯片失效導致的，更換該芯片后，裝機測試，全部恢復正常。為弄清該芯片大量失效的原因，并進行有效的失效預防和質量整改，本文詳細分析和驗證該芯片失效。

2 失效機理分析

2.1 失效現場數據的收集

個別空調發生故障時，生產線體比較分散，但故障現象都為顯示異常。更換驅動芯片后，全部恢復正常，未有其他元器件同步損壞。如表1所示，從現場收集的信息來看，初步排除生產過程問題，基本鎖定驅動芯片異常。

2.2 電測和失效模式的確定

本研究使用晶體管特性圖示儀對失效芯片各I/O接口和VCC、GND之間的I-V特性曲線進行測試，對比正常樣品的特性曲線。測試結果表明，所有失效芯片的PIN1和VCC之間存在短路（該芯片PIN1～PIN8腳為信號輸入引腳，PIN11～PIN18腳為輸出引腳，PIN9和PIN10腳分別為VCC和GND），由此可以確定芯片的失效模式為輸入引腳對電源腳短路。

2.3 芯片外觀和PCBA焊接情況檢查

利用光學顯微鏡全面檢查失效樣品外觀，未發現外觀有可見的破損、開裂等機械損傷，機械應力造成損傷的可能性被排除;對芯片焊接引腳部位進行金相切片分析，結果表明，芯片和主板焊盤焊接情況良好，沒有焊接裂縫、氣孔、雜物等不良焊接現象，說明芯片短路并非焊接或裝配過程異常導致[3]。

2.4 X射線透視檢查

本研究對失效的所有樣品均進行了X-RAY內部結構檢查，如圖1所示。檢查結果顯示，失效樣品的內部支架完整，綁定線排列整齊無多線、變形或者交叉的異常情況，晶圓和底板焊接無氣泡空洞等異常現象。

2.5 開封檢查

上文通過非破壞性分析并未觀察到芯片失效的具體原因，下一步開始進行破壞性分析，即對芯片進行開封處理，利用化學濕法腐蝕去除失效芯片的外部黑色樹脂封裝，檢查內部的晶圓情況，如圖2所示。完成開封后，使用超景深顯微鏡對芯片內部的晶圓進行觀察。經過觀察對比，筆者發現，晶圓PAD1上（對應芯片PIN1）存在明顯的過電損傷痕跡，同時PAD1和VCC之間區域存在一條比較規則的連接線，對比正常晶圓版圖，該位置并無此連接線。

對照該芯片晶圓的電路原理圖，筆者確認該損傷點剛好位于芯片第1輸入通道輸入端（對應芯片第1腳）與電源端之間的保護二極管位置。這和電測的結果完全吻合，由此可以判斷，該處出現的損傷點以及兩個PAD之間的不明連接線是導致PIN1和VCC之間短路的直接原因。

2.6 切片分析

為進一步確認PAD1和VCC之間的不明線路產生的原因，下一步對不良品晶圓失效點位置進行切片分析，利用離子束切割技術對晶圓上多余連接線位置進行了縱向切割如圖3所示。為了避免離子束切割對樣品造成損傷，提前在晶圓鈍化層之上又覆蓋了一層PT保護膜。

接著，對完成切割后的樣品進行光學檢查，從切面的圖像可以觀察到，失效樣品的鈍化層和硅襯底之間比正常樣品多出了一條清晰的金屬導電線路。該線路剛好把信號輸入端[IIN]和[VCC]的PDA接通，導致外部引腳的短路。

最后，對該處金屬導電線路進行進一步的成分分析，結果表明，導電線路材質為金屬鋁，剛好和晶圓內部用于制作PAD的金屬材質相同。由此可以推斷，芯片發生短路的原因為EOS失效。失效機理為芯片工作期間，電壓波動導致芯片工作電流急劇增大，發熱量隨之增加，隨著熱量的累積，晶圓內部金屬層最終發生熱熔現象。隨著熔化金屬的蔓延，[IIN]和[VCC]之間最終形成一條導電通路，造成芯片PN1和VCC之間的短路失效。

2.7 試驗驗證

經過一系列分析，筆者基本鎖定了芯片失效的原因，即EOS導致的芯片內部過流引起局部急劇發熱，造成晶圓內部PAD熔化，熔化后的金屬鋁形成了一條連接信號輸入腳和芯片電源腳的導電通路，最終引發短路現象。

為了對以上分析和推斷進行驗證，本研究又安排了模擬復現試驗：取正常的空調主板在常溫下進行通電，設置4組不同的驅動電壓和芯片電源電壓，使芯片內部達到過流條件。試驗時間為1min，之后切換下一組電壓。每組電壓施加完成后，需測試芯片輸入腳和VCC中間的阻抗值（正常樣品的阻抗約為7.7MΩ）。經過一系列的測試和統計，最終得出以下試驗結果，如表2所示。

從試驗統計結果來看，在芯片輸入信號電壓和芯片供電電壓超標的情況下，試驗樣品最終都發生了短路現象。為確定試驗失效樣品和生產線失效樣品失效機理是否一致，本研究對試驗失效的樣品同樣進行了開封處理，如圖4所示。

在光學顯微鏡下仔細觀察內部晶圓，筆者發現，PAD1和VCC之間有非常明顯的損傷點，而且其中1個試驗樣品的相同位置也出現了和產線下線樣品相似的導電線路。試驗模擬和驗證分析的結果表明前述推論完全成立。

3 整改方案

經過詳細分析并且加以模擬試驗驗證，筆者最終鎖定芯片失效的原因為EOS導致的芯片內部過流損傷。針對該種情況，本研究分別從生產過程隱患點排查和芯片本身抗EOS損傷的能力兩方面進行了整改，雙管齊下。

一是對生產線空調測試電源和接線端子全面排查，對電壓存在波動的穩壓電源進行更換，對存在接觸不良的接線端子進行報廢換新。二是經過對比觀察發現，芯片PN1和VCC之間的電氣間隙相比其他輸入腳明顯偏小，屬于晶圓線路設計問題。相關情況反饋到芯片生產廠家后，廠家已對晶圓內部線路進行了優化設計，增加各輸入腳和VCC之間的PDA距離，增大電氣間隙。優化設計前后晶圓對比如圖5所示。

4 結論

本文針對空調顯示電路中的高壓驅動芯片功能失效問題進行了分析和驗證，結果表明，EOS是導致芯片失效的原因。同時，針對該驅動芯片PNI1和VCC電氣間隙過小的問題，筆者從產線測試環境和芯片設計兩方面提出了改進方案。改進方案實施后，未再出現批量的失效，表明芯片失效原因的分析是正確的，制定的整改方案也是有效的。

參考文獻：

[1]恩云飛.電子元器件失效分析技術[M].北京：電子工業出版社，2015.

[2]楊建軍.失效分析與案例[M].北京：機械工業出版社，2018.

[3]陶春虎.失效分析新技術[M].北京：國防工業出版社，2011.