集成電路的工作原理及可靠性分析

唐小龍

摘要：近年來，國內集成電路封裝測試面對劇烈變化的外部環境和競爭格局，針對面臨的機遇和挑戰，積極探索有效發展策略。通過技術創新、人才引進和并購等舉措全面提升了企業核心競爭力，積累了創建世界一流大型封測企業的成功經驗。

關鍵詞：集成電路；工作原理；可靠性

中圖分類號：TU768 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0426-01

引言

90年代以來，集成電路技術得到了快速發展，尺寸不斷縮小，集成度和性能不斷提高，引入大量新材料、新工藝和新的器件結構。新發展給集成電路類產品的可靠性要求帶來了新的巨大挑戰。一方面產品更新換代會引起人們對產品可靠性的懷疑，另一方面一旦產品出現失效會對用戶造成損失，損失往往遠大于產品本身的價值，因此這類產品的可靠性受到了用戶的高度重視。

1 集成電路的工作原理及組成結構

集成電路，一般簡稱IC，英文名為integrated circuit，它是一種新型、微型的電子元件或者零部件。通常情況下集成電路采用一種特定的工藝方法，把很多的微電子元件集成到一個硅片上，一般這些電子元件包括晶體管、二極管、電容電阻、電感等，現如今基本所有集成電路的都是以硅作為基礎材料，再在其基礎上通過擴散或者滲透的工藝方法讓其形成N型、P型的半導體或者P-N結。讓其在電路板上結合其他元器件一起來完成一些特定功能的電路模塊，比如說一些我們平時生活中常見的一些承擔運算、導電、存儲功能的電子設備。人們把集成電路也稱作半導體集成電路，因為一般的集成電路的基板都是半導體材料，然后再在基板上把把至少一個有源元件或者更多的元件相互之間連接到一起，讓其完成一些特定功能的元器件。它們一般通過半導體材料所特有的電子空穴導電能了來進行通電，讓電流通過半導體上的引線和引腳來進行輸入或者輸出電流信號，完成半導體集成電路的索要完成的特定功能。人們一般認為集成電路是羅伯特·諾伊思（在硅（Si）的基礎上發明的集成電路）和杰克·基爾比（在鍺（Ge）的基礎上發明的集成電路）發明的。

2 可靠性分析

2.1 集成電路常見的失效形式分析及控制措施

2.1.1 集成電路中常見的物理失效形式是ESD靜電放電模式和LATCH-UP損傷模式而在實際的工作中靜電放電模式有分為HBM人體放電模式（hnman-babymodel）、MM機器放電模式（MachineModel）、CDM存電元件模式（Charged-deviceModel）等。從最末端客戶使用數據統計，在現實生活中，ESD靜電放電模式和LATCH-UP損傷模式占整個集成電路失效的80%以上。

2.1.2 現如今在集成電路的失效分析過程中，我們一般都是進過四步來進行失效分析首先針對失效集成電路開封前的檢查。一般我們把開封前的檢查稱作無損失效分析，就是在不損壞樣品，不出去電氣包裝的情況下，來判斷樣品是否失效的過程。無損失效分析技術一般分為兩個方面，外觀分析和X射線分析和掃描聲學顯微鏡分析。外觀分析，一般就是用肉眼進行觀察，看集成電路外觀是否有明顯的損傷和缺失。就比如說封裝是否牢固，引腳焊接是否有缺焊或者焊接缺陷等等。X射線檢分析是利用X射線的透視檢測樣品，如果樣品有缺陷的話，測試的X射線在成像的過程中就會出現不一樣的情況。X射線檢測一般能檢測出集成電路中引線方面缺陷的問題。掃描聲學顯微鏡檢測則是運用超聲波探測樣品內部的缺陷，其主要的工作方式是能超聲波檢測樣品的內部，通過內部的情況反映出不同的反射時間和反射距離，然后通過對這些數據的統計整理，找出樣品中有缺陷的部分。超聲波檢測一般檢測的是因為集成電路在塑封是水汽或高溫對元器件造成的損壞。相比有損失效分析損壞樣品、可能遺失樣品信息的缺點，無損失效分析技術更突顯出自身的優勢。其次是對已經失效的集成電路進行開封采取鏡檢。開封要嚴格做到不損壞集成電路的內部線路，根據各自不同的目的或封裝方式，采用不同的開封方法。以下是幾種普遍的開封方法：

（1）全剝離法，是將集成電路外部完全去除，只保留內部一個完整的芯片對內部的電路進行觀察，此方法的缺點是內部電路引線都被破壞，將無法通電測試。

（2）局部去除法，它是利用研磨機對芯片上的樹脂進行研磨直達芯片，如此做的優點是在開非的過程中不會傷害芯片內部的電路和引線，開封后的電氣元件還可以通過通電測試。

（3）全自動法，是用硫酸噴射來去除想要去除的局部元件。再次是對確認失效的集成電路進行電性分析。

電性分析技術一般包括缺陷式定位、電路分析法以及微探針檢測分析三方面。

（1）缺陷定位。缺陷的具體定位是集成電路失效地位中一項重要而且困難的問題。確定了元件的具體失效位置才能進行下一步的工作。所以缺陷定位重要性不言而喻。OBIRCH技術、Emission顯微鏡技術以及液晶熱點檢測技術是集成電路失效分析缺陷定位提供了更多的方法。

（2）電路分析法。就是通過集成電路的原理圖和芯片電路的圖紙，結對比芯片失效情況，逐步排查集成電路的失效形式，縮小檢查的范圍，然后運用）微探針檢測技術確定失效的元件的方法。

（3）微探針檢測技術。微探針檢測技術一般是配合著電路分析法一起使用，用微探針來測量內部器件上的電壓參數值，比如引腳的電壓、電流、伏安特性曲線等。最后是對失效的集成電路通過物理分析。

物理分析方式一般都分為聚焦離子束方式、掃描電子顯微鏡方式、透射電子顯微鏡方式以及VC定位技術。

（1）聚焦離子束（FIB）是運用電透鏡

把粒子束聚焦到一個特別微小的尺寸來對失效的集成電氣進行切割的方式，一般聚焦離子束系統由離子源、離子束聚焦和樣品臺三部分組成。聚焦離子束主要對集成電路進行剖面，而往的方法一般都是純手工研磨切除或者是全自動法的方式去除，雖然說傳統的這兩種方法可以得到內部的元件，但其卻存在著手工操作人為因素大、失誤率高的風險。而聚焦離子束切削可以很精確的做到切削過程，而且切削準確率高。

（2）掃描電子顯微鏡（SEM）

是一種高分辨率的微型觀察儀器，它由掃描系統和信號檢測放大系統兩部分組成，其工作原理是通過聚焦的電子束沖擊電器元件表面從而反饋回來信號，然后將這些信號放大并呈現在連接的屏幕上產生圖像。經過對圖像的分析對集成電路進行判斷。

（3）透射電子顯微鏡（TEM）

一般透射電子顯微鏡的分辨率可以達到0.1nm，相比掃描電子顯微鏡，它能夠更清晰的反映出集成電路上的一些問題，對于集成電路的研究可以更加的深入，對于電路中的缺陷排查，能夠更準確快速的查找和確認。

（4）VC定位技術（Voltage Contrast）

該技術是自SEM或FIB的基礎上演變出來的新型技術，它的處出現在確定集成電路失效方面變得更為高效，更加快速的確定缺陷的位置。VC定位技術的工作原理就是利用SEM的電子束或者FIB的離子束在電路板表面進行掃描來得到電路板表面不同位置的不同電勢，在屏幕上表現出來不同的亮度對比。VC定位技術則是通過檢測不同的亮度對比，找出異常的亮點，來確定失效點的位置。

3 結語

集成電路產業發展還有一段非常漫長的路要走，但作為一項非常光榮的使命，相信我們各方之間只要肩并肩，攜手并進，把工作落到實處，必然能夠為集成電路產業的更好發展做出屬于我們的一份貢獻。

參考文獻

[1]栗晶晶，張智容.集成電路的現狀及其發展趨勢[J].科學論壇，2014.

[2]張汝京等.納米集成電路制造工藝[M].清華大學出版社，2014.