軍用集成電路失效分析

孫家坤（中船重工第716研究所，江蘇連云港，222000）

軍用集成電路失效分析

孫家坤
（中船重工第716研究所，江蘇連云港，222000）

隨著科學技術的發展，集成電路在我國軍用武器裝備上的應用越來越廣泛，其可靠性成為制約我國武器裝備質量的一項重要因素，失效分析是集成電路可靠性及質量保證的重要環節，本文從失效分析的流程、方法、技術及發展入手，對軍用集成電路的失效模式及失效機理進行了詳細的講解，隨著元器件設計與制造技術的不斷提高及失效分析技術和工具的逐步完善，失效分析工作將在集成電路質量控制方面發揮更大的作用。

集成電路；失效分析；電性分析；物理分析

0 引言

失效分析是一種確定產品失效原因的診斷過程，失效分析技術已經在電子元器件行業得到了廣泛的應用，集成電路作為電子元器件的代表產品，在軍用武器裝備中應用越來越廣泛，其質量直接影響到的軍用武器裝備的可靠性。失效分析作為集成電路質量和可靠性保證體系的重要組成部分 ，它是利用電、物理、化學等各種技術查找失效模式和失效機理，向設計和制造工藝及時提供相關信息，由于集成電路從設計到制造過程非常復雜，每一個過程引入的錯誤都可能導致最終產品的失效，因此失效分析是一個極其復雜的技術過程。失效分析的目的是盡可能多的從現場失效和試驗失效中去搜尋相關信息（失效形態、失效表現現象、失效結果等）進行歸納總結分析集成電路的失效模式，分析驗證失效機理，并對失效模式和失效機理采取有效地措施，最終不斷提高產品可靠性。

1 軍用集成電路失效分析基本流程

1.1 失效分析遵循的基本規律

失效分析的流程非常繁瑣，但是其遵循的基本規律基本是相同的。

(1)先進性非破壞性分析后進行破壞性分析。

(2)先進行外部分析，后進行內部分析。

(3)先調查了解與失效有關的情況，后分析失效器件。

即對于失效的集成電路，要以非破壞性檢查為先，非破壞性分析不能發現失效原因的情況下再對失效集成電路進行進一步檢查。不同的集成電路及不同的失效模式都對應不同的分析流程，有的只需檢查外部封裝就可以發現失效模式，有的則需進行深入的電路分析及配合高精度的設備才能確定其失效模式，所以進行失效分析時應謹慎進行以免引入新的失效因素。

1.2 失效分析的一般步驟

典型的失效分析的一系列步驟如下所示。

(1)對失效模式進行分析驗證，測試人員有可能錯誤定義了集成電路的失效模式，導致失效分析人員得到的失效信息是錯誤的，對失效模式進行確認可以避免后續不必要的工作產生。

(2)失效種類的確認。失效種類可以理解為電性上的失效以及物理上的失效特征，對應電性上的有參數上的失效、有漏電流產生的失效等。而對應物理的失效有封裝損壞、腐蝕等，與此同時還要搞清楚失效產生的測試環境。

(3)確定需要分析的失效類別。一個集成電路可能存在很多的失效機理，但是不同的測試條件下可能只能確定其中一種特定的失效種類，分析錯誤的或者是不完全的失效種類最終得到的很可能不是期望得到的失效機理，因此正確分的析失效種類尤為重。

(5)確認失效機理，確定失效的位置。所有失效分析技術最終都是為了確定缺陷位置以及失效機理，所以這一步至關重要。

(6)根據失效位置及失效機理確定相應的改正行為。到了這一步就是整個設計團隊需要共同完成的了，包括可靠性、工藝、設計和測試等。

(7)總結歸檔反思。即使得到了正確的失效機理并定位了缺陷所在的位置，但是一些失效模式還是會再次或反復出現。因而養成歸檔總結反思的習慣，逐步積累經驗可以減少后續出失效分析的分析時間并加快設計及工藝上的改進。

2 失效分析技術解析

2.1 失效分析應用的技術

隨著集成電路的集成度越來越高，導致其失效分析的難度和失效分析的投入越來越大，只有將失效的種類進行劃分，將其分門別類，并按重要性的高低排列出來，優先分析重要的失效種類，才能充分利用資源，以免造成不必要的消耗，失效分析的技術大致分為兩種。

(1)非破壞性失效分析

非破壞性失效分析不會對集成電路產生毀壞而引入新的失效機理，同時這些非破壞性的技術也不會對后續器件的使用造成損傷，非破壞性失效分析技術對集成電路的失效分析是十分必要的，且器件失效分析技術和儀器設備都是以非破壞性為終極目標的。典型的分析手段如光鏡檢測、電性能方面測試、非電性能方面測試等

(2)破壞性失效分析

破壞性失效分析會對半導體器件產生不可逆的損傷，并且使得相應的電性能分析無法在進行，所以在進行破壞失效分析之前必須要先完成非破壞性失效分析以及電性能方面的測試，確認缺陷所在的位置。很多失效案例中，破壞性技術手段可以作為判別失效種類產生根源與我們所判斷的是否一樣的依據。包括：開封、第一優先級的分析技術、物理分析技術、EDS、SEM等。

2.2 失效分析技術研究

軍用集成電路失效分析各項關鍵技術之間的關系如下圖所示。

圖1 軍用集成電路失效分析各項關鍵技術之間的相互聯系

2.2.1 失效現象的確認

集成電路失效以后，首先要對失效現象進行分析，根據集成電路的應用搭建相應的驗證平臺，確認失效現象，此外還包括查看自動測試設備的測試結果和管腳的特性測試。自動測試設備的測試是根據電路所完成的功能來模擬電路的使用條件，然后編制自動測試程序，施加電應力。通過這種方法可以判斷失效電路存在設計方面的失效，還是偶然出現的失效。但是自動測試給出的一系列數據，并不能直觀的反應出器件的特性，通過專用的V-I測試夾具，并配合圖示儀，可以準確測出管腳端口的V-I 特性，確定失效管腳，為后續缺陷定位提供比較精準的定位。

2.2.2 開封前檢查

分析失效的集成電路，第一步要做的就是開封前封裝方面的檢查，以確定在封裝環節芯片是否有物理上的損傷，比如封裝內部DIE和FRAME分層。BOND線斷裂等，這些缺陷都可以在開封前的封裝檢查環節發現，這一環節主要包括：外觀檢查、X射線透視檢查和掃描聲學顯微鏡檢查：

(1)外觀檢查，外觀檢查是最直觀最簡單的分析手段，可以在顯微鏡下觀察繼承地那路的封裝是否開裂，芯片管腳是否接觸良好等，

(2)X射線檢查，利用X射線儀可以檢查塑封樹脂中的空洞、燒斷金絲、封裝裂縫、芯片斷裂、金球剝離等情況。

(3)掃描聲學顯微鏡檢查，作為一項比較重要的無損檢測技術，掃描聲學顯微鏡在檢測材料的性能、內部缺陷方面都有著其他技術無法比擬的優點。它能觀察到光學顯微鏡所無法觀察到的樣品內部區域，能提供X射線無法得到的高襯度觀察，非常適用于不宜使用破壞物理分析的場合。

2.2.3 打開封裝

通過上述開封前檢查測試，只能對電路的失效模式做一個比較初步的判定，而我們更關心的是缺陷的精確位置或者是問題的根源所在。這就要求我們對電路進行更深層次的剖析，剝開芯片封裝，暴露出DIE表面，而對芯片的功能沒有影響，為接下來進行的電性分析和物理分析做鋪墊。對以不同封裝形式的集成電路和不同的分析目的，應采用不同的去封裝解剖方式。對于塑封電路一般采用以下三種方法。

(1)全剝離法：將電路放在電爐上進行烘烤，到一定程度后用鉗子和鑷子掰開電路，然后再用防靜電鑷子將芯片加出。這種開封方式適用于從失效模式判斷集成電路有外來無污染或者是腐蝕的情況，例如鹽霧試驗后或者是在特別的應用環境下應用的樣品解剖，但是由于金絲和引線的連接被破壞，所以不宜做動態分析。

(2)局部去除法：局部去除法又分為研磨法、鉆孔法、粘貼法等。研磨法是用研磨機盡可能多的研磨樹脂，使得其盡可能近的接觸芯片表面但是又不破壞金絲，再將其放置于加熱的硝酸中腐蝕出芯片。鉆孔法比較適用于雙列直插封裝形式的電路剖析，它是將芯片放于精密銑床上，然后在芯片所在位置銑出與芯片大小相同的孔，當銑到接近芯片表面時，將電路放置于電爐上并在孔內滴入加熱的發煙硝酸，從而腐蝕出芯片。粘貼法適用于小外封裝的電路和扁平封裝的電路，先將電路粘貼在膠帶紙上用刀片鏤空，然后在放置于酸中進行腐。

(3)全自動法：目前國外有公司生產全自動剖析儀對塑封電路做局部腐蝕，這種設備由于安全而受到客戶的青睞，但是有專家指出這種設備由于硫酸腐蝕時間過長，空氣進入設備后會導致設備自動停下，所以其應用也受到了很大的限制。

2.2.4 鏡檢

鏡檢是顯微鏡檢查的簡稱，適用于芯片的表面檢查，如白霧、變色、鈍化、有無導電銀漿外溢等。

2.2.5 電性分析

電性分析是物理分析的前提，通過電性分析能夠將缺陷具體定位到芯片上的具體位置，電性分析具體內容包括：

(1)缺陷定位：半導體行業是一個追求高質量、快速度、低成本的行業，快速設計、快速實效定位及快速修正是半導體行業的三個管腳步驟，快速的點定位成了一個承上啟下的中軸，隨著技術的發展，失效點快速定位的手段和技術也越來越成熟，如Emission1顯微鏡、OBIRCH、液晶熱點檢測技術等

(2)電路分析：根據缺陷定位的定位到的缺陷點位置，運用數模電路知識進行電路分析，縮小缺陷點電路的范圍，再結合探針檢測定位失效器件。

(3)微探針檢測分析：根據上述失效定位得到的電路某個功能模塊的失效，將這一個模塊或者器件單獨隔離并將為探針探到模塊的內部器件上進行相關電參數的分段測試，最后確定失效機。

2.2.6 物理分析

失效集成電路的物理分析技術現階段主要有四種方式：失們追求的是LTE-FDD無線網絡系統的質量和安全度。因此，我們需要充分了解LTE-FDD技術的相關知識以及相關的LTE-FDD無線網絡系統的特點，并且制定一個目標以及要采取有效詳細的措施，盡最大可能的完成既定的目標。因此，我們應當結合LTE-FDD無線網絡系統的實際情況，具體問題具體分析，努力追求和實現其質量目標。

2.6 加強對LTE-FDD無線網絡系統的各項檢查

LTE-FDD技術的規范設計與應用具體來說就是對目前已經運行的網絡系統進行各項檢查，例如，對數據采集、數據分析、各種硬件設備的檢查等等，同時，通過對LTE-FDD無線網絡系統的研究，從中得出影響LTE-FDD無線網絡系統正常運行的主要因素，在此基礎上對這一問題進行研究分析，及時找出相應的解決措施，更好的保障LTE-FDD無線網絡系統的安全性。

2.7 保障安全有效的信息傳輸

加強LTE-FDD技術的規范設計與應用，還要加強技術手段來避免對LTE-FDD無線網絡系統的優化干擾，這樣做可以減少LTE-FDD無線網絡系統中的設備故障問題，以便于對用戶的信息進行及時的采集。除此之外，還可以保障LTE-FDD無線網絡系統的無線信號覆蓋，加強對各種數據的分析研究，一旦發現有異常的情況，及時的采取措施，以此來保障信息傳輸的安全性與穩定性，從而能夠保障LTE-FDD無線網絡系統的正常運行，增強LTEFDD技術的規范設計。

3 結語

綜上所述，通過本文對LTE-FDD技術的規范設計與應用的相關介紹，我們了解了LTE-FDD無線網絡無線設計優化的優勢之處以及強化LTE-FDD技術的規范設計與應用的措施，這對于我們更好的掌握LTE-FDD技術起到了很大的幫助作用，從而能夠最大限度地提高LTE-FDD技術的規范設計與有效運用，保障LTE-FDD無線網絡系統的安全穩定，保證我國移動通信公司的穩定發展，進而促進我國的經濟發展和社會穩定。

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Failure Analysis on Military Integrated circuit

Sun JiaKun
((No. 716 Research Institute of China shipbuilding industry,Lianyungang Jiangsu, 222000)

with the development of science and technology，the application of the integrated circuit (IC) in Chinese armament quality，failure analysis is taken as one of the important chain for IC reliability and quality assurance，in view of the flow，method，and development for failure analysis，this thesis explains failure mode and failure mechanism on military IC in detail，with continuous improvement of component design and manufacture technology and gradual perfection of failure analysis technology and tool，failure analysis will play more important role in the light of IC quality control

Integrated circuit；Failure analysis；Electrical analysis；Physical anaylysis

TN43 文獻標示碼A