随钻声波测井仪信号接收电路芯片失效分析

罗 博，侯军涛，李 杰，罗瑜林，仇 傲

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北 三河 065201)

0 引 言

随钻测井是在钻井的同时测量取得地层信息，相比于电缆测井，能够在刚钻开的地层中取得测量数据，此时地层状况更接近原始状况，且受钻井液影响较小，能够更加真实地得到地层信息，所以随钻仪器测井数据更有研究价值[1-3]。随钻四极子声波测井仪是中海油服自研在用的最先进的随钻声波测井仪器，该仪器可以获取地层中的纵波、横波及斯通利波慢度数据。针对不同环境和测试对象，该仪器有不同的工作模式。信号采集电路是取得测量数据最关键的部分，信号接收电路是其第一级，接收来自接收换能器的微弱信号，并将其放大后，输出到下一级处理。信号接收电路的可靠性是仪器能否正常工作的关键。实际工作中发现，接收换能器焊接后，有较大比例信号采集板不能正常工作，无输出信号。为此，对焊接时失效的信号接收电路运放芯片进行了彻底检测，确定了故障原因，并提出了解决方案。

1 随钻声波信号接收电路故障描述

信号接收电路中使用的声波接收换能器是一种压电式传感器，两个压电陶瓷片和3个金属片交替组合，其压电陶瓷会在受外力时在其表面产生电荷，电荷量与声波信号的频率和幅度具有很大相关性[4]。信号接收电路如图1所示，选用TI 公司生产的一款低噪声、低功耗、高精度的CMOS 运算放大器，接收换能器的输出直接焊接在接收电路板上，焊接前，信号接收电路输入接信号发生器，确保全部模块正常工作。焊接完成后，发现运放芯片损坏率较高，部分信号接收电路板不能正常工作，无输出信号。

图1 信号接收电路

2 芯片检测

为了提高仪器信号采集电路工作稳定性，首先必须确定芯片失效原因，对焊接后失效的芯片和正常芯片分别进行检测，进行对比，然后提出解决方案。

2.1 X射线检查

引线键合(Wire Bonding)是芯片封装中关键的工艺技术之一，芯片引脚与内部功能模块通过金属引线形成电气连接[5]。根据国外统计数据，大部分芯片连接是通过引线键合。引线键合质量好坏对芯片能否长期稳定工作至关重要，如果引线键合中引线被腐蚀、工艺缺陷、焊盘污染等都会导致引线质量问题，进而产生引线断开、脱落等故障，这些问题会直接导致芯片部分或全部功能失效[6-7]。

利用X射线设备对这批失效芯片进行扫描，图2为其中一个失效芯片X射线扫描图，所有失效芯片键合引线状态良好，均未见键合引线断开或脱落。因此，排除引线质量不合格可能。

图2 失效芯片X射线扫描图

2.2 电特性测试

为确定失效芯片的失效电特征，确定失效模式，利用图示仪对失效芯片和正常芯片引脚进行I-V特性曲线对比检测，发现失效芯片5脚(V+)和3脚(-IN)的I-V特性曲线呈现短路特性，与正常芯片存在明显差异。失效芯片引脚I-V特性曲线如图3所示。

图3 失效芯片5脚(V+)和3脚(-IN)的I-V特性曲线

2.3 内部目检

为了检查失效芯片内部是否存在与失效模式相关的结构异常或缺陷，确定失效位置，采用化学方法对芯片进行开封，展现出芯片内部结构全貌，如图4所示。芯片开封后观察内部全貌发现，失效芯片3脚(-IN)端口内键合点相连金属化熔融烧毁，如图5所示。初步确定失效点位置。

图4 芯片内部全貌

图5 金属化熔融烧毁位置

2.4 失效点定位

芯片内部阻抗异常、漏电路径分析常采用OBIRCH芯片背面成像技术。该技术是基于热效应的静态激光激发技术，能有效地检测短路或漏电。OBIRCH 定位出现的点一般是芯片最初的短路位置。另外，可以调节激光功率，通过芯片衬底的传播后其成像质量也好于光发射显微镜成像[8]，所以，该技术可以精确定位芯片故障位置。运用OBIRCH技术，利用激光扫描显微镜对该批失效芯片进行观察分析，经过激光发热后，阻抗异常的地方可以被仪器检测到，且被标亮，这样可以精确定位芯片故障位置。

对失效芯片的5脚(V+)和3脚(-IN)之间施加电压0.03 V，芯片表面可见阻抗变化异常点，位于芯片3脚端口键合点附近，如图6中绿色点位置所示。

图6 OBIRCH定位结果

2.5 电子显微镜检查(SEM)

为了进一步观察失效芯片的失效形貌，确定失效原因，采用化学方法对失效芯片进行去层处理，展现芯片有源区形貌,使用扫描式电子显微镜(Scanning Electronmicroscope, SEM)对失效芯片进行检查。SEM是将电子枪发射的电子通过高压加速，经过多级电磁透镜汇集成细小的聚焦电子束，对测试样品表面进行逐点扫描，激发测试样品释放电子,接收到这些电子后进行显示成像,可以达到获得测试样品表面形貌和化学成分等相关信息[9-10]。使用SEM观察失效芯片，发现失效芯片有源区晶体管熔融烧毁，烧毁区域位置与阻抗异常点吻合，如图7所示。

图7 晶体管熔融烧毁SEM全貌

2.6 芯片检测结论分析

失效芯片信号输入端(3脚)与电源引脚之间的I-V特性曲线存在短路特性，与正常芯片I-V特性存在明显差异。开封后可见3脚(-IN)引脚内键合点相连的金属化熔融布线烧毁，其余区域未见过热、过电损伤形貌。失效点可定位为3脚引入异常电压击穿有源晶体管形成异常的漏电通道，后续加电过程中流经漏电通道的大电流使金属化布线熔融烧毁，且该异常电压能量远大于静电。

3 芯片失效原因分析

该运放芯片具有ESD保护功能，焊接过程中有充分的防静电措施，且异常电压能量远大于静电，因此，可初步排除静电原因。

随钻四极子声波测井仪采集电路压电陶瓷体积较大，长时间放置，电荷不断在两极累积，且移动时不可避免受到外力作用；焊锡温度在350 ℃以上，压电陶瓷受热膨胀，继续产生电荷，导致压电陶瓷带电量过高，焊接时与运放3脚连接，过高电压导致芯片3脚引入异常电压，损坏芯片。

为最终确认芯片失效原因，需测量压电陶瓷焊接前正极电特性。先对接收换能器两极放电，放置一段时间后，用示波器测得其电压信号如图8所示。可见，其信号幅度在17 V以上，半衰期为3 ms，远超过该运放芯片允许输入电压范围。焊接时，因为受热膨胀形变，其正极电压会更高。所以，可以确定，焊接时压电陶瓷电压过高，导致其在焊接时损坏运放芯片。

图8 接收换能器放置一天后正极电压信号

4 解决方案

压电陶瓷即便受到微小外力，也会积累电荷。所以，很难保证压电陶瓷在放置时不积累电荷。解决方案为焊接前，将接收换能器两极放电；焊接时，将两极与地短接，确保接收换能器随时将电荷释放，焊接时两极无电荷。

第二批信号接收电路板采用此方式焊接接收换能器，焊接完成后，信号接收电路全部正常工作，无芯片失效。

5 结束语

本文对焊接时失效的随钻声波信号接收电路运放芯片进行了彻底的检测，并测试了接收换能器放置一段时间后的电特性，最终确定了芯片失效原因，并提出解决方案，大大提高了随钻声波测井仪信号接收电路的可靠性，减少了芯片损耗，节约了物料成本和时间。