某型號(hào)八位微控制器失效類型分析

王天暢，李岳林

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110000；2.大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，大連116028）

1 引 言

某型號(hào)八位微控制器電路，作為一款高效率的CMOS 微控制器芯片，采用了高密度非易失性存儲(chǔ)器（Non-Volatile Memory, NVM）工藝制造，在單芯片上具有集成了高效的標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)的八位CPU。該CPU 支持6 時(shí)鐘和12 時(shí)鐘模式。芯片內(nèi)部含有 64 kByte 的 ISP（In-System Programmable）和IAP（In-Application Programmable）Flash 以及 1 kByte RAM。片上Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程和在應(yīng)用可編程，ISP 功能允許用戶在線下載新的程序，而IAP 則允許用戶在應(yīng)用時(shí)獲取和更新程序。

在使用某型號(hào)八位微控制器的過程中出現(xiàn)過很多導(dǎo)致器件失效的問題，從整體來看可以分成器件外部損傷、內(nèi)部軟件缺失、器件內(nèi)部損傷三大類。器件的外部損傷主要包括管腳損傷與沾污，被沾污或損傷的管腳在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)接觸不良的情況，導(dǎo)致器件的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至根本無法工作；內(nèi)部軟件缺失主要指未燒錄驅(qū)動(dòng)程序，這會(huì)使得器件無法驅(qū)動(dòng)，不能進(jìn)入工作狀態(tài)；器件內(nèi)部損傷主要指靜電擊穿和浪涌這種過電應(yīng)力對(duì)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷的情況，這會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，難以正常工作。

針對(duì)這些問題，需要進(jìn)行失效分類和失效機(jī)理分析，應(yīng)用正確的失效分析方法，形成排查糾正措施，以期更快速有效地解決問題。

2 電路結(jié)構(gòu)

某型號(hào)八位微控制器功能框圖如圖1 所示，主要由CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)等部分構(gòu)成。其中存儲(chǔ)器有64kByte Flash 和1kByte SRAM；外設(shè)有全雙工增強(qiáng)型通用異步接收機(jī)、計(jì)數(shù)器0/1/2、可編程邏輯陣列、看門狗、可配置I/O 端口0/1/2/3 和振蕩器。該八位微控制器能夠方便地組裝成智能式測(cè)控設(shè)備、各種智能儀表和規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)，也可實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。

圖1 某型號(hào)八位微控制器功能框圖

3 失效類型及分析方法

目前常用的失效分析方法有電測(cè)試技術(shù)、顯微形貌分析技術(shù)、顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、應(yīng)力試驗(yàn)技術(shù)、解剖制樣技術(shù)等。該款八位微控制器電路的主要失效類型分為：管腳損傷與沾污、未燒錄驅(qū)動(dòng)程序、靜電擊穿和浪涌。此處主要使用顯微形貌分析技術(shù)、電測(cè)試技術(shù)以及解剖制樣技術(shù)[1]，從器件的外觀、驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)部結(jié)構(gòu)三個(gè)角度進(jìn)行失效分析。

3.1 管腳損傷與沾污

顯微形貌分析技術(shù)是通過光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透視電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等分析儀器，研究各種材料的顯微組織大小、形態(tài)、分布、數(shù)量和性質(zhì)的一種方法[2]。

管腳（即Pin）是從集成電路內(nèi)部引出與外部電路相連的引線，其損傷會(huì)直接對(duì)元器件功能造成影響，因此對(duì)其進(jìn)行檢查十分有必要。

用肉眼比對(duì)檢查失效元器件與良好元器件，可以觀察到機(jī)械損傷、管殼變色或封裝裂縫等異常情況。有時(shí)管腳表面會(huì)存在著更加細(xì)微的沾污或損傷，僅靠肉眼難以察覺，此時(shí)即需要使用4~80 倍的立體顯微鏡，或者更大倍數(shù)的金相顯微鏡來觀察管腳部位。

觀察到的兩種管腳沾污如圖2 所示。可以明顯看出，電路管腳存在的異物有絲狀與球狀之分。其中絲狀異物使用洗耳球可以去除，燃燒后散發(fā)蛋白質(zhì)燃燒的臭味[3]，可推斷為運(yùn)輸轉(zhuǎn)移過程中粘連的毛發(fā)；球狀異物無法用洗耳球清除，整體呈現(xiàn)燒結(jié)狀態(tài)，推斷應(yīng)為防靜電海綿在高溫狀態(tài)下的殘余。

圖2 顯微鏡下觀察到的管腳沾污

觀察到的兩次機(jī)械損傷如圖3 所示。圖3(a)中見到的是管腳表面（根部）劃痕，該劃痕比較明顯，但引線表面無鍍金層缺失現(xiàn)象，經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試合格，證明該損傷對(duì)電路功能無明顯影響；圖3(b)劃痕較為嚴(yán)重，金層已遭到破壞，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)連接不穩(wěn)定現(xiàn)象，證明該損傷已對(duì)電路功能造成較大影響。由此可見，利用顯微形貌分析技術(shù)對(duì)失效元器件進(jìn)行檢查十分必要。

圖3 兩種不同程度的機(jī)械損傷

3.2 未燒錄驅(qū)動(dòng)程序

此處選取的該款微控制器為仿制國(guó)外Philips公司的P89C51RD2 電路，可進(jìn)行原位替代。在研制過程中，為保證電路穩(wěn)定性，在時(shí)序?qū)懭牒蜁r(shí)序擦除方面進(jìn)行了更嚴(yán)格的約束，此外還按照新的時(shí)序要求自主研發(fā)了專用并行編程器，在供貨前燒錄驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)向用戶提供自主設(shè)計(jì)開發(fā)的專用并行編程器，以方便客戶燒錄程序[4]。

在實(shí)際操作過程中，如果使用專用編程器燒錄用戶程序結(jié)果正常，但使用Flash Magic 軟件燒錄用戶程序顯示連接失敗，且擦除原程序后無法再次燒錄，則表明該電路出廠前未燒錄驅(qū)動(dòng)程序。此時(shí)重新燒錄驅(qū)動(dòng)程序即可正常使用。

3.3 靜電擊穿

電測(cè)試技術(shù)是無損失效分析中最重要的步驟，隨著集成電路的規(guī)模越來越大，利用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）對(duì)集成電路進(jìn)行測(cè)試越來越成為失效分析工作的重點(diǎn)。靜電釋放（Electro-Static Discharge, ESD）是造成集成電路失效的主要原因之一[5]。了解ESD機(jī)理并采用合適的方法加以預(yù)防，對(duì)提高集成電路可靠性有巨大意義。在該型號(hào)八位微控制器的端口內(nèi)部，抗ESD 設(shè)計(jì)采用二極管結(jié)構(gòu)，其輸入輸出端口如圖4 所示。

圖4 端口內(nèi)部抗ESD 設(shè)計(jì)

二極管本身具有單向?qū)ㄐ裕绻虞d在二極管上面的反向電壓超過它的最大承受值，反向電流會(huì)急劇加大，二極管會(huì)失去單向?qū)щ娦裕窗l(fā)生所謂的擊穿[6]。擊穿發(fā)生時(shí)，端口對(duì)地和對(duì)電源二極管特性消失，二極管處于失能狀態(tài)，導(dǎo)致電源和地端口ESD 失效, 在端口抗靜電結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)熱點(diǎn)，導(dǎo)致NMOS 管燒損，對(duì)電路內(nèi)部尤其是臨近端口造成影響。在此狀態(tài)下，該電路的P0.0 端口可能會(huì)失效，20 腳VSS與40 腳VCC可能會(huì)短接，電路受到不可恢復(fù)的損傷。利用電測(cè)試技術(shù)，測(cè)量失效端口是否對(duì)電源地短接，可以為失效分析提供有效依據(jù)。

3.4 浪涌

浪涌通常由自然界雷電、電網(wǎng)過壓、開關(guān)打火、空間靜電、電源系統(tǒng)（尤其是帶有很重的感性負(fù)載）開關(guān)切換時(shí)引起的，是一種上升速度高、持續(xù)時(shí)間短的尖峰脈沖。浪涌對(duì)微電子芯片造成的損壞，輕者干擾芯片正常工作，重者造成芯片永久性損壞。例如感應(yīng)雷（雷電感應(yīng)或感應(yīng)過電壓）在RS-485 傳輸線上引起的瞬變干擾，其能量可在瞬間燒毀連結(jié)傳輸線上的全部器件[7]。

由于電子元器件封裝材料和多層布線結(jié)構(gòu)的不透明性，對(duì)于芯片內(nèi)部的觀察很多時(shí)候必須依賴于解剖制樣技術(shù)。解剖制樣技術(shù)主要過程包括：打開封裝、去鈍化層，有時(shí)候還需要去層間介質(zhì)，保留金屬化層及其下方介質(zhì)，以及硅材料，然后采用剖切面技術(shù)和染色技術(shù)，進(jìn)一步觀察芯片內(nèi)部缺陷[8]。

某失效電路P1.7 端口無法正確輸出用戶原程序所設(shè)計(jì)的占空比波形。對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試，結(jié)果為P1.7 端口不合格，經(jīng)過后續(xù)檢查，X 光、密封性、DPA檢測(cè)都合格，開蓋后發(fā)現(xiàn)故障電路芯片表面與P1.7端口相連的驅(qū)動(dòng)管處有燒毀形貌。開蓋后芯片表面放大形貌如圖5 所示。

圖5 開蓋后芯片表面放大形貌

為做更進(jìn)一步的分析，利用解剖制樣技術(shù)進(jìn)行去層檢查。結(jié)果顯示該驅(qū)動(dòng)管在芯片有源區(qū)呈現(xiàn)擊穿形貌，如圖6 所示。去層后有源區(qū)層SEM 形貌如圖7 所示。

圖6 去層后有源區(qū)層擊穿部位放大形貌

圖7 去層后有源區(qū)層擊穿部位SEM 形貌

通過顯微鏡觀察芯片表面與P1.7 端口相連的驅(qū)動(dòng)管Q3，發(fā)現(xiàn)此處有燒毀形貌。去層檢查結(jié)果顯示該驅(qū)動(dòng)管在芯片有源區(qū)呈現(xiàn)擊穿形貌。出現(xiàn)燒毀形貌是由于故障電路P1.7 端口引入了浪涌，導(dǎo)致芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)管被擊穿，引發(fā)失效，最終使得P1.7 端口無法正確輸出用戶原程序所設(shè)計(jì)的占空比波形。至此，將故障定位在P1.7 端口由于浪涌引入大電流導(dǎo)致芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)管被擊穿導(dǎo)致失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

在簡(jiǎn)要介紹某型號(hào)八位微控制器芯片四種失效類型及分析方法的基礎(chǔ)上，將其作為八位微控制器芯片的典型示例，對(duì)相關(guān)失效問題展開分析并借助顯微手段輔助取證，精確定位問題所在。所做分析不僅有助于更快速精準(zhǔn)的解決其本身問題，也可為其他同類型器件提供參考。