集成电路的工作原理及可靠性分析

陈海彬

摘要 集成电路产业是在二十世纪五十年代后期、六十年代出现并不断应用到生活中的一种全新的半导体元件。集成电路的不断发展，他已经深深的融入到我们的生活中，小到一个手机、一个电脑，哪怕一个小小手机存电器，大到公司里的数控设备，交通工具。集成电路无处不在，它已无形中融入到我们的生活之中。多我们的生活造成或多或少的影响。本文通过对集成电路的工作原理和可靠性分析对其进行一个简单的探讨。

【关键词】集成电路 半导体集成电路 静电放电 可靠性

1 集成电路的工作原理及组成结构

集成电路，一般简称IC，英文名为integrated circuit，它是一种新型、微型的电子元件或者零部件。通常情况下集成电路采用一种特定的工艺方法，把很多的微电子元件集成到一个硅片上，一般这些电子元件包括晶体管、二极管、电容电阻、电感等，现如今基本所有集成电路的都是以硅作为基础材料，再在其基础上通过扩散或者渗透的工艺方法让其形成N型、P型的半导体或者P-N结。让其在电路板上结合其他元器件一起来完成一些特定功能的电路模块，比如说一些我们平时生活中常见的一些承担运算、导电、存储功能的电子设备。人们把集成电路也称作半导体集成电路，因为一般的集成电路的基板都是半导体材料，然后再在基板上把把至少一个有源元件或者更多的元件相互之间连接到一起，让其完成一些特定功能的元器件。它们一般通过半导体材料所特有的电子空穴导电能了来进行通电，让电流通过半导体上的引线和引脚来进行输入或者输出电流信号，完成半导体集成电路的索要完成的特定功能。人们一般认为集成电路是罗伯特·诺伊思（在硅（Si）的基础上发明的集成电路）和杰克·基尔比（在锗（Ge）的基础上发明的集成电路）发明的。而后随着集成电路的一步步持续改进，现如今市面上大多数的的半导体集成电路都是在硅的基础上进行生产的，一般情况下半导体的工艺过程是氧化一光刻一扩散一外延一蒸铝，然后形成集成电路所需要的半导体材料，把另外一些所需要的二极管、电容、电阻等元器件再焊接到加工好的特定的半导体材料上，就加工成了我们所需要的一些半导体集成电路。它们会有各种各样的样式，比如有扁平式的、圆壳式的、双列直插式的等等，而且它们所实现的功能也是各种各样。

2 集成电路的分类

2.1 按其集成度高低（或内含晶体管的数量）不同分类

集成电路按照集成度高低（或内含晶体管的数量）不同一般可分为：SSI小规模集成电路（晶体管数量10-100） （SmallScale Integrated circuits）、MSI中规模集成电路（晶体管数量100-1000）（Medium ScaleIntegrated circuits）、LSI大规模集成电路（晶体管数量1000-10000）（Large Scale Integratedcircuits）、VLSI超大规模集成电路（晶体管数量10万-100万）（Very Large Scale Integratedcircuits）、ULSI特大规模集成电路（晶体管数量1000万以上）（Ultra Large Scale Integratedcircuits）、GSI巨大规模的集成电路又被称为极大规模集成电路或者超特大规模集成电路（Giga Scale Integration）.

2.2 按其制作工艺不同分类

集成电路按照制作工艺流程的不同一般分为膜形式集成电路和半导体形式集成电路。而膜形式集成电路又可分为厚膜形式集成电路和薄膜形式集成电路。

2.3 按其结构、功能的不同分类

集成电路按照结构、功能形式的不同一般可分为数字集成电路、模拟集成电路和数/模混合集成电路。数字集成电路一般是实现各种数字信号的的处理、放大和产生的功能，比如说我们身边常用的一些电子产品，MP4、移动电话、电脑中的主板等，它们都是通过数字信号来进行逻辑控制进行视频信号和音频信号的传输。而模拟集成电路一般都是一个线性信号，它只是把接收到的模拟线性信号处理、放大或缩小，不如说我们以前老旧的半导体收音机，放卡带的录影机等，都是通过模拟信号来传输信号的。

2.4 按其导电类型不同分类

集成电路按照導电类型不同一般可分为单极型集成电路和双极型集成电路。此分类不算完善，因为此种分类所包含的都是数字式的集成电路。单极型集成电路一般制造工艺简单，在此就不做跟多的陈述，由于其制作简单，所以可以大批量生产，比如PMOS、NMOS。双极型集成电路相对而言就工艺就复杂的多功率消耗也大，不如TTL。

2.5 按其用途不同分类

集成电路按照用途不同可分为影碟放映机专用集成电路、电脑（微机）专用集成电路、报警器专用集成电路、电视机专用集成电路、音响专用集成电路、录像机专用集成电路、通信专用集成电路、电子琴专用集成电路、照相机专用集成电路、遥控专集成电路、语言专集成电路及各种专用集成电路。

影碟机专用集成电路中一般包含电动机驱动集成电路、音响效果集成电路、数字信号处理集成电路、视频编码集成电路、音频信号处理集成电路、系统控制集成电路、MPEG解码集成电路、RF信号处理系统集成电路、伺服系统集成电路等。

音响专用集成电路中一般包含音频功能放大处理集成电路、音频后置放大处理集成电路、立体声处理集成电路、电子音频处理集成电路、AM/FM高中频集成电路、音频运算解析集成电路、环绕声处理集成电路、电子开关控制集成电路等。

电视机专用集成电路中一般包含遥控控制集成电路、微处理器集成电路、彩色解码处理集成电路、伴音处理集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源解析集成电路、画中画解析集成电路、丽音解码处理集成电路、存储器处理集成电路等。

录像机专用集成电路中一般包含伺服系统集成电路、系统控制解析集成电路、驱动处理集成电路、视频解析集成电路、音频解析集成电路。

计算机专用集成电路中一般包含中央控制单元（CPU）集成电路、内存储器集成电路、外存储器处理集成电路、I/O控制集成电路等。

2.6 按其外形分

集成电路按外形不同一般可分类成圆型集成电路、扁平型集成电路和双列直插型集成电路。

2.7 按其运用领域不同分类

集成电路按运用领域不同一般可分为标准通用型集成电路和专用型集成电路，如图1。

3 集成电路在现实中一般的失效形式和因素

集成电路在现实中经常会出现各种各样的失效，而一般情况下集成电路的失效都存在于设计过程、工艺流程、应用环境的过程中。而以照以往的经验来看，集成电路的失效一般分为两大类：内部失效和外部失效。

内部失效：一般来说，在我们生产加工过程中，因为设计的考虑不足，加工工艺缺陷引起的电应力方面的失效和使用半导体材料本身存在缺陷所引起的集成电路失效。不过随着集成电路引用越来越广泛，此类产品越来越多，生产加工工艺会越来越完善，而且加工水品越来越高，此方面的失效形式会越来越小。

外部失效：外部失效一般都包括封装时产生的失效和内外引线问题产生的失效。由于集成电路的广泛应用和在封装上要求的复杂程度越来越高，所以在这方面的失效会越来越多。

4 可靠性分析

4.1 集成电路检测常识

在说可靠性前要谈谈集成电路检测时候需要注意的一些东西

4.1.1 集成电路的检测前准备

在每次维修一个集成电路前，我们应该首先熟悉其内部的电路走向，各个电路的功能，各元件的参数，电压要求，各引线引脚的走向、波形以及整个集成电路的工作原理。

4.1.2 测试时避免短路损害元件

在我们每次带电测量电路中元器件或用示波器测试波形时，应该注意避免造成短路现象，经常测量时因为引脚的短接而损害电路，而最安全的方式与引脚直接连接外围进行测量。在测量集成电路时我们要加倍小心，由于任何不经意间的短路都可能造成不能挽回的损失。

4.1.3 焊接质量要求高

電路焊接时一定要焊接牢固，不能出现焊锡的堆积、气孔现象，这样很容易出现虚焊。焊接的时候每次焊接要快，烙铁要尽量用正规的内热式的，对焊接完成的电路板不要立刻通电测试，要先观察焊接是否牢固，必要时用表测试是否有短路现象，确认无误后方可通电测试。

4.1.4 严格禁止在无隔离的变压器下

任何情况的带电接触带有集成电路的电气设备严格禁止在无电源隔离变压器的带有集成电路的电气设备比如电视、录像等设备直接用外壳已经接地的仪器设备直接测试。因为在不了解设备自身是否带有电源隔离变压器情况下，可能因为你的带电操作而造成整个电气设备的集成电路短接，这样造成的后果不可估量。

4.1.5 电烙铁的绝缘问题

在使用电烙铁时，我们在焊接的时候是不准带电操作的，因为不知道电烙铁的绝缘性是否达标，一旦在焊接集成电路有电流通过，可能会对电路造成跟大的损坏。尤其是在进行焊接MOS电路时，更因加倍小心。

4.1.6 集成电路的损坏不要轻易下结论

集成电路的损坏需要做细致的检查，不要轻易下结论说集成电路损坏。因为集成电路很多都是直接耦合，其中单个的电路不正常，就会造成电压变化，压力变化不能完全证明说集成电路损害，有时候一些引脚电压的数值有一些小的偏差，这都是正常现象，而有时候可能因为一些别的原因也可能造成集成电路中的电流变化。

4.1.7 集成电路的散热问题值得注意

一般功率集成电路都带有散热器，因为集成电路在大功率下工作会产生很高的热量，如果不及时散出，可能会很容易烧坏集成电路。

4.1.8 测试集成电路的仪表内阻要大一点

一般情况下我们用仪表内阻大于20KΩ/N的表来测量集成电路的引脚直流电压，因为内阻偏小的测量表测出的引脚电压有可能会有很大的测量误差。

4.2 集成电路常见的失效形式分析及控制措施

4.2.1 集成电路中经常见到的物理失效形式是ESD静电放电模式和LATCH-UP损伤模式

而在实际的工作中静电放电模式有分为HBM人体放电模式（hnman-baby model）、MM机器放电模式（Machine Model）、CDM存电元件模式（ Charged-device Model）等。从最末端客户使用数据统计，在实际的生活中，ESD静电放电模式和LATCH-UP损伤模式占整个集成电路失效的百分之八十以上。从集成电路制作方来讲，为使用者制造出合格的集成元件产品是保障市场信誉度的重中之重，而从使用方法来讲，提高集成电路的供应商集成电路抗闩锁LATCH-UP损伤的能力和在ESD静电放电等级方面，是评定其集成电路可靠性的重要指标，从而制造出更加优秀的集成电路。

4.2.2 现如今在集成电路的失效分析过程中，我们一般都是进过四步来进行失效分析

首先针对失效集成电路开封前的检查。一般我们把开封前的检查称作无损失效分析，就是在不损坏样品，不出去电气包装的情况下，来判断样品是否失效的过程。无损失效分析技术一般分为两个方面，外观分析和X射线分析和扫描声学显微镜分析。外观分析，一般就是用肉眼进行观察，看集成电路外观是否有明显的损伤和缺失。就比如说封装是否牢固，引脚焊接是否有缺焊或者焊接缺陷等等。X射线检分析是利用X射线的透视检测样品，如果样品有缺陷的话，测试的X射线在成像的过程中就会出现不一样的情况。X射线检测一般能检测出集成电路中引线方面缺陷的问题。扫描声学显微镜检测则是运用超声波探测样品内部的缺陷，其主要的工作方式是能超声波检测样品的内部，通过内部的情况反映出不同的反射时间和反射距离，然后通过对这些数据的统计整理，找出样品中有缺陷的部分。超声波检测一般检测的是因为集成电路在塑封是水汽或高温对元器件造成的损坏。相比有损失效分析损坏样品、可能遗失样品信息的缺点，无损失效分析技术更突显出自身的优势。

其次是对已经失效的集成电路进行开封采取镜检。开封要严格做到不损坏集成电路的内部线路，根据各自不同的目的或封装方式，采用不同的开封方法。以下是几种普遍的开封方法：

（1）全剥离法，是将集成电路外部完全去除，只保留内部一个完整的芯片对内部的电路进行观察，此方法的缺点是内部电路引线都被破坏，将无法通电测试。

（2）局部去除法，它是利用研磨机对芯片上的树脂进行研磨直达芯片，如此做的优点是在开非的过程中不会伤害芯片内部的电路和引线，开封后的电气元件还可以通过通电测试。

（3）全自动法，是用硫酸喷射来去除想要去除的局部元件。

再次是对确认失效的集成电路进行电性分析。电性分析技术一般包括缺陷式定位、电路分析法以及微探针检测分析三方面。

（1）缺陷定位。缺陷的具体定位是集成电路失效地位中一项重要而且困难的问题。确定了元件的具体失效位置才能进行下一步的工作。所以缺陷定位重要性不言而喻。OBIRCH技术、Emission显微镜技术以及液晶热点检测技术是集成电路失效分析缺陷定位提供了更多的方法。

（2）电路分析法。就是通过集成电路的原理图和芯片电路的图纸，结对比芯片失效情况，逐步排查集成电路的失效形式，缩小检查的范围，然后运用）微探针检测技术确定失效的元件的方法。

（3）微探针检测技术。微探针检测技术一般是配合着电路分析法一起使用，用微探针来测量内部器件上的电压参数值，比如引脚的电压、电流、伏安特性曲线等。

最后是对失效的集成电路通过物理分析。物理分析方式一般都分为聚焦离子束方式、扫描电子显微镜方式、透射电子显微镜方式以及VC定位技术。

（1）聚焦离子束（FIB）是运用电透镜把粒子束聚焦到一个特别微小的尺寸来对失效的集成电气进行切割的方式，一般聚焦离子束系统由离子源、离子束聚焦和样品台三部分组成。聚焦離子束主要对集成电路进行剖面，而往的方法一般都是纯手工研磨切除或者是全自动法的方式去除，虽然说传统的这两种方法可以得到内部的元件，但其却存在着手工操作人为因素大、失误率高的风险。而聚焦离子束切削可以很精确的做到切削过程，而且切削准确率高。

（2）扫描电子显微镜（SEM）是一种高分辨率的微型观察仪器，它由扫描系统和信号检测放大系统两部分组成，其工作原理是通过聚焦的电子束冲击电器元件表面从而反馈回来信号，然后将这些信号放大并呈现在连接的屏幕上产生图像。经过对图像的分析对集成电路进行判断。

（3）透射电子显微镜（TEM） -般透射电子显微镜的分辨率可以达到O.lnm，相比扫描电子显微镜，它能够更清晰的反映出集成电路上的一些问题，对于集成电路的研究可以更加的深入，对于电路中的缺陷排查，能够更准确快速的查找和确认。

（4） VC定位技术（Voltage Contrast）。该技术是自SEM或FIB的基础上演变出来的新型技术，它的处出现在确定集成电路失效方面变得更为高效，更加快速的确定缺陷的位置。VC定位技术的工作原理就是利用SEM的电子束或者FIB的离子束在电路板表面进行扫描来得到电路板表面不同位置的不同电势，在屏幕上表现出来不同的亮度对比。VC定位技术则是通过检测不同的亮度对比，找出异常的亮点，来确定失效点的位置。

5 集成电路对于我国未来的发展

在最近刚刚召开的第十三届全国人大一次会议上，中国国务院的总理李克强同志在新一《政府工作报告》中提到“推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展”，这无疑是把集成电路产业发展放在国家实体经济建设发展中的首要位置之一。我相信集成电路产业在国家的大力支持下，产业发展趋势在国内将快速增长。

而且国家在最近几年来里相继的推出一系列支持改革政策来推进集成电路产业的快速发展。预计在到2020年期间，集成电路产业将逐步虽小与国际先进国家的之间的水平的差距，集成电路全行业的销售收入年均水平将超过20%，同行业的电子产业的发展能力也得到大的提高;而且在一些核心企业中一些核心的基础零件40%达到自给自足，逐步摆脱电子产业核心技术受限于外国的局面。在航空航天装备、通信设备等产业中急需的核心电子元器）和关键材料的研发都得到国家大力的支持和推广应用。

在集成电路产业中，坚持研发新型的、先进制程工艺技术是未来集成电路产业的的发展方向，而实际中各种各样的加工制程工艺特点又个不相同，先进制造工艺和传统制造工艺灵活运用于不同的产品，中国集成电路产业在未来的发展之路任重道远。

参考文献

[1]栗晶晶，张智容，集成电路的现状及其发展趋势[J].科学论坛，2014.

[2]张汝京等，纳米集成电路制造工艺[M].清华大学出版社，2014.

[3]孙肖子.张健康.专用集成电路设计基础[M].西安电子科技大学出版社，2011.

[4]王阳元，集成电路工艺基础[M].清华大学出版社，1991.

[5]迪建，中国集成电路产业发展机遇与挑战[J].集成电路应用，2015.

[6]俞建风，陈翔，杨雪瑛，我国集成电路测试技术现状及发展策略[J].中国测试，2009.

[7]中国集成电路设计分会年会论文集[M].中国，西安，2005.

[8]王永刚，集成电路的发展趋势和关键技术[J].电子元器件应用，2009.