智能電能表用計量芯片失效分析研究

張蓬鶴，薛 陽，張起豪

(中國電力科學研究院，北京 100192)

0 引言

功能豐富的智能電能表是支撐智能電網的重要環節，多功能的需求對計量芯片提出了集約化、模塊化的要求。智能電能表在實際運行中的技術特性主要取決于計量芯片的特性。計量芯片屬于混合集成電路，包括數字模塊和模擬模塊，模擬電路的電源隔離、精度及抗干擾問題決定了計量芯片的整體性能。

由于環境的差異將導致智能電能表的計量不準確，其根本在于計量芯片測量的不準確，實際使用過程中出現了計量芯片失效的現象，通過對失效現象的分析和改進，有助于提高計量芯片的設計和生產工藝[1]。本文通過對計量芯片進行失效分析，提出失效分析的方法及流程，可以幫助設計人員找到設計上的缺陷、工藝參數的不匹配或設計與操作的不當等問題，并對企業生產過程中工藝控制提出建議。

1 失效分析的方法及流程

1.1 失效模式

根據失效率浴盆曲線，芯片失效可分為早起失效、偶然失效和耗損失效。早期失效是浴盆曲線的盆邊，失效率較高，早期失效的失效因素較簡單，有一定的普遍性。不同批次，不同晶體，不同工藝的元器件其早期失效的延續時間，失效比例是不同的。嚴格的工藝操作和工序檢驗，可以減少這個階段的失效。給予適當的應力，進行合理的篩選，可使元器件在正式使用時早把早期失效的元器件剔除掉，使元器件的失效率達到或接近偶然失效的較高可靠性水平。浴盆曲線的盆底平坦段是偶然失效階段。此階段失效率低且變化不大，近似為常數，是元器件較好的使用期[2]。偶然失效時電子元器件中多種不很嚴格的偶然失效因素發生的失效。耗損失效時電子元器件由于老化，磨損，損耗，疲勞等帶有一定全局性的原因造成的失效。此時元器件進入嚴重的損傷期，失效率隨時間的延續而明顯上升。

圖1 失效率浴盆曲線

1.2 計量芯片失效分析流程

通過失效分析模式的確定，深入分析失效的機理，本文提出失效分析的一般方法及流程。

（1）數據的收集與分析

在完成現場失效數據收集報告和使用者報告后，從失效元器件所處的產品的使用環境，工作條件，及它與產品中其他組件的功能聯系，較準確的判斷失效根源所在。

（2）失效現象的觀察和判定

在確定是元器件本身失效問題后，根據觀察到的現象(包括失效部位，顏色，大小，形狀等)判定失效的可能部位和原因，明確要詳細分析的目的[3]。

（3）假定失效機理

由失效現象出發，結合元器件的基本理論，材料至工藝的特征，基于失效物理和失效分析事例及經驗，對若干失效原因，提出失效機理的假定。

（4）失效機理的驗證

按照失效分析程序，從外部分析到內部分析，同時進行事宜的非破壞性檢測到半破壞性檢測至全破壞性檢測和分析。適用時還可以進行一些理論分析項目：X 射線形貌分析，各種電子和紅外的顯微分析等[4]。因元器件的技術領域不同有所側重，可根據假定的失效機理采用必要的分析儀器，最終認定并驗證失效的機理。

（5）總結

將結過匯成失效分析報告，有可能提出研討的問題及改進措施。將報告寫成事例，一并存入數據庫，供信息資源的充分利用。

失效分析系統方法及流程主要分為無損檢測和有損檢測[5]。對于芯片首先進行電性能測試，確定大致失效點及初步判斷失效模式；其次進行無損檢測，進一步判斷失效模式；再次進行有損檢測，確定失效模式，并驗證假設失效模式[6]。

2 電性能測試

選取同一批次生產的兩顆SOP24 計量芯片，進行外觀檢查，確保其外形無磨損，pin 腳完好，分別標記為樣品A 和樣品B。將樣品B 進行125℃高溫存儲96h，試驗后對兩者進行采樣通道試驗，發現采樣數據有差異，初步判斷樣品B 在高溫存儲試驗后出現功能失效現象[7]。

AVdd-AGND pin 腳在施加正向電壓時，樣品A 和樣品B 電流偏差較大，而DVdd-DGND pin 腳在施加正向、反向電壓，樣品A 和樣品B 的電流基本重合[8]。進一步判定失效點出現于AVdd pin腳，需進行無損檢測、有損檢測，通過觀察，確定失效模式[3]。

3 失效模式驗證

3.1 無損檢測

根據電性能檢測結果，對兩個樣品進行SAT 檢測，試驗結果如圖2 所示。GOOD 為樣品A，FAIL 為樣品B，由圖2 可知，樣品B 的AVdd pin 腳處有氣泡，判斷芯片封裝存在缺陷，可導致芯片電性能失效。對兩個樣品進行X-Ray 檢測，未發現金線斷裂、焊點不牢等缺陷，判斷芯片內部無缺陷。將芯片失效模式初步判定為封裝由于存在氣泡導致缺陷。

圖2 SAT 檢測結果

3.2 有損檢測

根據SAT 檢測結果，對缺陷部位進行開封，以觀察并驗證失效模式。對芯片進行Polish 檢測，在AVdd pin 腳邊緣發現氣泡。進一步判定失效模式為芯片封裝存在氣泡[9]。利用EMMI 檢測捕捉熱點，檢測芯片內金線連接是否存在缺陷，。樣品A 盒樣品B的熱點位置一樣，并無明顯差異，因此根據以上分析，確定芯片失效模式為封裝層內存在氣泡導致電性能發生改變[10]。

圖3 EMMI 檢測結果

4 結論

根據本文失效分析案例，樣品B 在進行高溫試驗時，可能有水汽進入芯片氣泡中，導致芯片出現損傷而漏電，從而對芯片的安全以及計量的準確性造成隱患。計量芯片的工藝決定了芯片的性能，因此建議廠家對工藝條件和參數提高要求，掌握工藝參數偏差對產品性能參數穩定性的影響程度，明確每一工藝最佳控制點和允許的偏差范圍。當正常運行的電能表計量芯片出現性能偏差時，根據本文提及的失效分析方法，逐步找到失效模式，并反饋至生產線，以提高產品質量，提高電能表質量。

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[4]鄭福元等編著，厚薄膜混合集成電路，科學出版社，1984

[5]（日）鹽見弘等，陳祝同譯，失效分析及其應用，北京：機械工業出版社，1988

[6]（美）James J.Licari,leonard R.Enlow,朱瑞廉譯,混合微電路技術手冊，北京：電子工業出版社，2004

[7]莊奕琪，微電子應用可靠性技術，北京：電子工業出版社，1994

[8]中國軍用電子元器件管理中心編，軍用電子元器件應用可靠性，1994

[9]王錫吉，可靠性工程—設計、試驗、分析、管理。北京：宇航出版社，1989

[10]肖德輝編著，可靠性工程，北京：宇航出版社，1985