集成电路质量控制案例分析与建议.pdf

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1、集成电路质量控制案例分析与建议侯雪川1马亚青2(1中国航天科工集团公司第二研究院210所，北京，1008542中国北方车辆研究所，北京，100072)文摘：选取集成电路实际失效分析典型案例，对其主要失效模式及失效机理进行分析与研究，并对集成电路的质量控制及整机产品的设计提出几点建议。关键词：集成电路；失效案例；质量控制。集成电路由于性能强大、价格相对较低等特点．现已广泛地应用于各领域中。集成电路作为复杂系统的基础功能单元．其可靠性直接决定了整个系统或装置的可靠性以及现实条件下系统性能指标的发挥。

2、在使用集成电路时．必须了解其性能特点．创造其正常使用的环境或条件．否则不但达不到预期的效果．而且还会损坏器件。通常集成电路的常用极限参数为电源电压、输入电压、损耗、负载阻抗、工作温度和贮存温度、温升、散热条件等几项。一般情况下。集成电路都在额定值以内工作。特殊情况下．由于受到外界环境条件影响．集成电路可能工作在额定值以外进而发生性能降低甚至失效。集成电路使用过程中常出现的失效模式有短路、开路、参数超差、逻辑功能混乱等。导致集成电路可靠性指标降低甚至失效的原因有很多．例如集成电路本身固有的缺陷、使

3、用电路设计不当、产品使用不当及其它因素等。本文选取几个集成电路实际失效分析典型案例．结合相关标准要求．对其主要失效模式及失效机理进行分析与研究。1GAL20V8B一20LD型集成电路失效分析某设备在系统中服役11年后发生功能失效．一34一后经排查．具体故障点定位为其中GAL20V8B一20LD型集成电路失效。依据GJB3233—1998《半导体集成电路失效分析程序和方法》5．1条中的要求，对器件进行电参数测试，测试结果为功能失效．具体为Pin3(配置为输入端)引脚电连接失效(器件手册中规定该项指

4、标合格值为一0．7V．实际测量值为0．3V)。用机械方法启封器件后．对内部芯片进行显微观察发现：Pin3输入端口网络电路存在4处明显击穿、烧毁痕迹如图1所示。图1失效器件内部芯片击穿烧毁形貌其中第一处击穿点位于Pin3与GND之间的台阶介质层中，并伴随金属化铝电迁移现象，其余3处失效点为同一电气连接点．其中铝条存在明显大面积烧毁现象．并伴有金属溶球．器件内《航天标准12,}2013年第2期部框架及键合丝未见异常。通过对以上电性能测试、解剖与观察、分析得出：器件的Pin3与GND(地)之间的介质层

5、过压击穿．由此形成的短路通道造成正常电压下与Pin3引脚相连的场效应管过大电流烧毁．导致器件Pin3相关连接电路损伤而最终功能失效。GAL20V8B一20LD型集成电路为进口Lattice公司的工业级产品．设计寿命为10年左右，根据失效分析结论．造成GAL20V8B一20LD型集成电路失效有过电压作用、寿命损耗和器件内部存在潜在介质缺陷几种可能．具体如图2所示。图2器件失效原因树状图据设计人员查询．此设备工作环境条件稳定．引入干扰强度较低：同时开展检测试验后进一步验证．外界影响造成此器件失效的可

6、能性被排除。对该失效器件进行扫描超声显微镜检查、X射线检查及开封内部检查过程当中，得出：器件内部框架及键合丝未见异常．芯片表面未发现存在分层及粘接空洞，芯片表面钝化层、金属化层完整．未见其它明显工艺异常。同时，因为该只器件从安装使用到失效发生已使用近11年的时间．可以初步排除器件内部存在潜在介质缺陷的可能．所以此次GAL器件失效原因定位为寿命损耗，2CD4069UBF3A型集成电路失效分析CD4069UBF3A为TI公司生产的军级的产品．41只器件筛选后4只器件常温初测不合格。该型号器件为六反相

7、器．从电性能检测结果看出．失效器件均在第六路输入输出异常。用晶体管图示仪测量管脚间特性．器件管脚13与VDD问短路。器件外观未见明显异常。用机械方法打开器件，依据标准GJB3233的5．1．6条“内部检查的相关程序和方法”．利用显微镜对失效器件进行观察．器件内部芯片粘接及键合均未《航天标准彳E>)2013年第2期塞廑盟鳢厦宣蕉趔苤理佥蕴皇壁理：箧霎坦呈堡应发现存在明显的工艺缺陷及其它异常现象：芯片表面也未发现存在明显击穿烧毁痕迹及其它异常现象。GJB3233中提到：失效分析过程当中，应选择什么项

8、目以及在分析过程中何时引入．分析人员应根据需要．在适当的时候引人。因为许多分析技术都具有破坏性．引人前应全面考虑并采取有关保护措施。以免破坏失效证据。前面提到．目前现有的手段和方法无法确定失效点．且不希望对失效件进行破坏．所以本次失效分析当中．特引入了液晶定位的方法。将液晶涂覆在芯片表面．分别观察加电和不加电情况下芯片表面情况后发现：在与第6路输入端相连的电路有击穿点．击穿失效点在测试样管的栅氧化层位置上，损伤面积较小．如图3、图4所示。栅氧化层是器件中最为薄弱的位置．易受到静电损伤，因此从失效