工业生产中集成电路失效分析案例解析

郭宇楠，王佳男，丁 宁

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.北方重工集团有限公司工程成套分公司，沈阳110141）

工业生产中集成电路失效分析案例解析

郭宇楠1，王佳男2，丁 宁1

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.北方重工集团有限公司工程成套分公司，沈阳110141）

针对工业生产领域集成电路在使用中出现失效的问题，结合国产某型号厚膜集成电路和国产某重点型号大型盾构设备主控系统电路板的失效分析过程，介绍了工业生产中集成电路失效分析的方法和流程，并给出了具体分析思路，详细论述了失效分析过程。通过对失效现象的分析定位故障点，找出引起失效的原因并给出预防措施。失效分析工作既可以帮助集成电路企业纠正设计、生产和测试过程中的问题，也可以协助集成电路使用者发现使用过程中存在的不合理性，提高集成电路研发和使用双方的整体技术能力。

集成电路；厚膜集成电路；盾构设备；失效分析

1 引 言

集成电路是国家装备制造产业领域的核心，在各类工业设备的生产、装配和使用过程中集成电路发生失效不可避免。随着工业领域对整机产品质量和可靠性要求的不断提高，失效分析工作显得愈发重要。失效分析就是了解失效现象、判断失效模式、定位发生失效的故障点、查找失效原因、弄清失效机理、预防类似失效情况再次发生。

2 失效分析案例一

2.1 失效现象

国产某型号厚膜集成电路应用于中航某飞行控制设备之中，每台飞行控制设备中使用1片该型号国产厚膜集成电路。生产线共装配飞行控制设备35台，装配完成后对飞行控制设备进行测试，测试过程提示1台飞行控制设备通讯故障。

现场对这台故障设备进行测试分析［1］，发现该设备中负责通讯的输出端无输出信号，此输出端与国产厚膜集成电路的7号引脚相连。首先对发生失效的厚膜集成电路进行拆机更换并对设备重新测试，发现故障设备工作恢复正常，可以排除此设备电路板、电源、传输线和通讯接口的问题，将拆机的厚膜集成电路装配到其它设备中，通讯故障现象可以复现，判断是该厚膜集成电路发生失效。

2.2 故障定位

该厚膜集成电路的内部电路原理图显示，7号引脚是与厚膜集成电路内部的80C196KC裸芯片AD11／P4.3引脚［2］相连接，初步判断是80C196KC裸芯片的AD11／P4.3引脚发生了失效引起该厚膜集成电路的失效。先对该厚膜集成电路进行无损失效分析，包括外观检查和X射线检查［3］，发现该厚膜集成电路外观完好，X射线无损检查发现内部键合丝无熔断，键合丝X射线无损检测如图1所示。

进一步对该厚膜集成电路进行开盖处理，利用电子显微镜观察内部的陶瓷基板、80C196KC裸芯片、键合点、键合丝，发现陶瓷基板表面无明显烧蚀痕迹，键合丝完整无熔断损坏。对80C196KC裸芯片AD11／P4.3引脚的键合区仔细观察发现，AD11／P4.3引脚键合区左右肩的细铝条均烧熔形成断路，25μm键合金丝及键合点均正常，如图2键合区左右肩细铝条熔断所示。经过仔细观察只发现了80C196KC裸芯片AD11／P4.3引脚这一处有细铝条熔断现象，其它位置无熔断现象。因此可以判断是由于80C196KC裸芯片AD11／P4.3引脚键合区左右肩的细铝条熔断引起了该厚膜集成电路失效。

图1 键合丝X射线无损检测

图2 键合区左右肩细铝条熔断

2.3 失效原因

引起该厚膜集成电路失效的原因有三个：①装配过程中的静电击穿；②裸芯片表面沾污；③闩锁效应。

2.3.1 装配过程的静电击穿

整机装配环节未做好静电防护工作，静电从外引脚引入厚膜集成电路内部，引起内部80C196KC裸芯片的静电损伤。这种失效发生在整机装配过程中，通电测试之前该厚膜集成电路就已经因静电损伤发生失效。

2.3.2 裸芯片表面沾污

80C196KC裸芯片表面沾污也会引起键合区损伤。但在生产环节，厚膜集成电路生产厂商会对每一颗裸芯片进行目检，筛选出表面有沾污的裸芯片，因此受污染的裸芯片并不会流入用户终端市场。

2.3.3 闩锁效应

ESD和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应［4］，是半导体器件失效的主要原因之一。如果有一个强电场施加在半导体器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏，很细的金属化迹线会由于大电流而损坏。并会由于浪涌电流造成的过热而熔断形成开路。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，产生大电流，造成半导体器件损坏。

2.3.4 预防措施

装配过程中的静电击穿和闩锁效应是引起该厚膜集成电路失效的主要原因，因此在整机装配过程中必须严格执行防静电操作规程。

1.厚膜集成电路的焊接操作应在防静电的工作台上进行；

2.在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压；

3.电源输入端加去耦电容，防止VDD端出现瞬间高电压；

4.在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大电流也不让它流入电路内部；

5.当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路的电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源；

6.厚膜集成电路应存放在防静电材料制成的容器中；

7.生产、测试、使用及流转过程中，厚膜集成电路应避免接触能引起静电的塑料、橡胶或丝织物；

8.焊接、装配和测试设备应严格接地。

3 失效分析案例二

3.1 失效现象

国产某重点型号大型盾构设备的主控系统板采用国产LT35063A组成升压DC／DC变换器［5］。国产LT35063A单片DC／DC变换器控制电路可以替代美国Motorola公司的MC35063A电路，只需配用少量的外部原件，就可以组成升压、降压、电压反转DC／DC变换器。

LT35063A升压电路连接方式如图3升压DC／DC变换器所示。主控室控制箱内的每块控制子板使用1片LT35063A，其中1块控制子板完成装配后在加电测试环节发生失效。加电测试发现LT35063A输出电压超过系统的设计值，触发控制子板断电保护而失效。测试发现当LT35063A输入电压从16V下降到10V，输出电压上升到40V以上，最高可达50V，输入电压从10V下降到5V，输出恢复到36V；此时不重新上电，只调高输入电压。当输入电压大于10V时，输出端又出现高电压，且不能恢复。当输入电压升高到16V时，输出电压达到60V左右，需要稳定3-5秒之后才能恢复到36V，此刻如果重新上电，输出电压则恢复正常。

图3 升压DC／DC变换器

3.2 故障定位

首先对发生失效的控制子板上的LT35063A进行拆机更换，更换后原故障现象无法消除。对之前拆机的LT35063A进行复测，发现该片LT35063A工作正常，初步判断是控制子板故障引起LT35063A失效。

该控制子板上电阻、电容、电感、二极管的选型均严格参照原理图中标注的型号。其中，100μF和330μF电容采用100V耐压工业级电解电容器，1500pF电容采用直插式工业级独石电容器，电感采用国产170μh工业级铜线绕制直插式电感器，二极管采用国产工业级1N5819［6］，0.22欧姆大功率电阻采用工业级2W功率电阻，其他电阻采用工业级1／4W直插电阻。

对该控制子板上能够引起输出电压过高的国产170μh工业级铜线绕制直插式电感器、国产工业级1N5819二极管进行拆机测试，发现国产工业级1N5819二极管的实测参数不满足规范要求。对该控制子板上的国产工业级1N5819二极管进行更换，同时对该控制子板进行重新测试，发现该控制子板及之前失效的LT35063A电路均工作正常。再将拆机的国产工业级1N5819二极管重新装回该控制子板，之前的故障现象可以复现。因此可以判断是国产工业级1N5819二极管发生失效引起了该控制子板故障。

3.3 失效原因

国产工业级1N5819二极管的供货厂商，在其产品供货前未能将已失效的1N5819二极管筛除，同时在控制子板装配前，用户单位也未对该二极管进行二次筛选。

3.4 预防措施

1.国产重点型号设备的元器件供货厂商，应对出厂元器件产品严格按照国家工业级元器件产品标准和规范进行筛选；

2.用户单位在整机设备装配前，应对采购的元器件进行二次筛选。

4 结束语

通过对2个失效分析案例的解析，详细论述了集成电路失效分析工作的思路和流程，可以帮助相关工业企业技术人员了解常用集成电路失效分析的技术和方法。随着集成电路在我国工业产品中的广泛应用，集成电路失效分析工作在保证产品质量方面将扮演越来越重要的角色。

［1］ 刘存.自动测试与应用系统［M］.沈阳：东北大学出版社，1994.Liu Cun.Automatic Testing and Application System［M］.Shenyang：Northeastern University Press. 1994.

［2］ 孙涵芳，王良启.Intel 16位单片机［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1995. Sun Hanfang，Wang Liangqi.Intel16-BitMicrocontroller［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，1995.

［3］ 关旭东.硅集成电路工艺基础［M］.北京：北京大学出版社，2003. Guan Xudong.Silicon Integrated Circuit Foundation［M］. Beijing：Peking University Press，2003.

［4］ 李桂宏，谢世健.集成电路设计宝典［M］.北京：电子工业出版社，2006. Li Guihong，Xie Shijian.IC Design Valuable Book［M］. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

［5］ 康华光.电子技术基础·模拟部分［M］.北京：高等教育出版社，2006. Kang Huaguang.Fundamentals of Electronics Technique. Analog Part［M］.Beijing：Higher Education Press，2006.

［6］ 蔡惟铮.常用电子元器件手册［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998. CaiWeizheng.Handbook of Common Electronic components［M］.Harbin Institute of Technology Press，1998.

Analysis and Discussion of IC Failure Analysis Cases in Industrial Production Fields

Guo Yunan1，Wang Jianan2，Ding Ning1
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.The Northern Heavy Industries Group Co.，Ltd.，Engineering EPCCompany，Shenyang 110141，China）

Aiming at the failures of the integrated circuits which are used in industrial production fields，the specific thinking is given，the failure analysis processes are discussed in detail，and the methods and procedures of the integrated circuits，with the failure analysis processes of the domestic thick film integrated circuit and themain control system circuit board of the domestic large shield machine，are introduced.By analyzing the failure phenomena，the faults are located and the causes and the precautionarymeasures are found.Failure analysis can help IC design enterprises to correct the problems in design，production and testing，and help users to detect the unreasonable parts and improve the techniques of the IC design enterprises and users.

Integrated circuit；Thick film integrated circuit；Shield machine；Failure analysis

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.003

TN4

A

1002-2279（2016）06-0009-03

郭宇楠（1985-），女，辽宁省鞍山市人，学士学位，助理工程师，主研方向：计算机应用。

2016-03-15