集成電路的工作原理及可靠性分析

陳海彬

摘要 集成電路產業是在二十世紀五十年代后期、六十年代出現并不斷應用到生活中的一種全新的半導體元件。集成電路的不斷發展，他已經深深的融入到我們的生活中，小到一個手機、一個電腦，哪怕一個小小手機存電器，大到公司里的數控設備，交通工具。集成電路無處不在，它已無形中融入到我們的生活之中。多我們的生活造成或多或少的影響。本文通過對集成電路的工作原理和可靠性分析對其進行一個簡單的探討。

【關鍵詞】集成電路 半導體集成電路 靜電放電 可靠性

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。而后隨著集成電路的一步步持續改進，現如今市面上大多數的的半導體集成電路都是在硅的基礎上進行生產的，一般情況下半導體的工藝過程是氧化一光刻一擴散一外延一蒸鋁，然后形成集成電路所需要的半導體材料，把另外一些所需要的二極管、電容、電阻等元器件再焊接到加工好的特定的半導體材料上，就加工成了我們所需要的一些半導體集成電路。它們會有各種各樣的樣式，比如有扁平式的、圓殼式的、雙列直插式的等等，而且它們所實現的功能也是各種各樣。

2 集成電路的分類

2.1 按其集成度高低（或內含晶體管的數量）不同分類

集成電路按照集成度高低（或內含晶體管的數量）不同一般可分為：SSI小規模集成電路（晶體管數量10-100） （SmallScale Integrated circuits）、MSI中規模集成電路（晶體管數量100-1000）（Medium ScaleIntegrated circuits）、LSI大規模集成電路（晶體管數量1000-10000）（Large Scale Integratedcircuits）、VLSI超大規模集成電路（晶體管數量10萬-100萬）（Very Large Scale Integratedcircuits）、ULSI特大規模集成電路（晶體管數量1000萬以上）（Ultra Large Scale Integratedcircuits）、GSI巨大規模的集成電路又被稱為極大規模集成電路或者超特大規模集成電路（Giga Scale Integration）.

2.2 按其制作工藝不同分類

集成電路按照制作工藝流程的不同一般分為膜形式集成電路和半導體形式集成電路。而膜形式集成電路又可分為厚膜形式集成電路和薄膜形式集成電路。

2.3 按其結構、功能的不同分類

集成電路按照結構、功能形式的不同一般可分為數字集成電路、模擬集成電路和數/模混合集成電路。數字集成電路一般是實現各種數字信號的的處理、放大和產生的功能，比如說我們身邊常用的一些電子產品，MP4、移動電話、電腦中的主板等，它們都是通過數字信號來進行邏輯控制進行視頻信號和音頻信號的傳輸。而模擬集成電路一般都是一個線性信號，它只是把接收到的模擬線性信號處理、放大或縮小，不如說我們以前老舊的半導體收音機，放卡帶的錄影機等，都是通過模擬信號來傳輸信號的。

2.4 按其導電類型不同分類

集成電路按照導電類型不同一般可分為單極型集成電路和雙極型集成電路。此分類不算完善，因為此種分類所包含的都是數字式的集成電路。單極型集成電路一般制造工藝簡單，在此就不做跟多的陳述，由于其制作簡單，所以可以大批量生產，比如PMOS、NMOS。雙極型集成電路相對而言就工藝就復雜的多功率消耗也大，不如TTL。

2.5 按其用途不同分類

集成電路按照用途不同可分為影碟放映機專用集成電路、電腦（微機）專用集成電路、報警器專用集成電路、電視機專用集成電路、音響專用集成電路、錄像機專用集成電路、通信專用集成電路、電子琴專用集成電路、照相機專用集成電路、遙控專集成電路、語言專集成電路及各種專用集成電路。

影碟機專用集成電路中一般包含電動機驅動集成電路、音響效果集成電路、數字信號處理集成電路、視頻編碼集成電路、音頻信號處理集成電路、系統控制集成電路、MPEG解碼集成電路、RF信號處理系統集成電路、伺服系統集成電路等。

音響專用集成電路中一般包含音頻功能放大處理集成電路、音頻后置放大處理集成電路、立體聲處理集成電路、電子音頻處理集成電路、AM/FM高中頻集成電路、音頻運算解析集成電路、環繞聲處理集成電路、電子開關控制集成電路等。

電視機專用集成電路中一般包含遙控控制集成電路、微處理器集成電路、彩色解碼處理集成電路、伴音處理集成電路、AV/TV轉換集成電路、開關電源解析集成電路、畫中畫解析集成電路、麗音解碼處理集成電路、存儲器處理集成電路等。

錄像機專用集成電路中一般包含伺服系統集成電路、系統控制解析集成電路、驅動處理集成電路、視頻解析集成電路、音頻解析集成電路。

計算機專用集成電路中一般包含中央控制單元（CPU）集成電路、內存儲器集成電路、外存儲器處理集成電路、I/O控制集成電路等。

2.6 按其外形分

集成電路按外形不同一般可分類成圓型集成電路、扁平型集成電路和雙列直插型集成電路。

2.7 按其運用領域不同分類

集成電路按運用領域不同一般可分為標準通用型集成電路和專用型集成電路，如圖1。

3 集成電路在現實中一般的失效形式和因素

集成電路在現實中經常會出現各種各樣的失效，而一般情況下集成電路的失效都存在于設計過程、工藝流程、應用環境的過程中。而以照以往的經驗來看，集成電路的失效一般分為兩大類：內部失效和外部失效。

內部失效：一般來說，在我們生產加工過程中，因為設計的考慮不足，加工工藝缺陷引起的電應力方面的失效和使用半導體材料本身存在缺陷所引起的集成電路失效。不過隨著集成電路引用越來越廣泛，此類產品越來越多，生產加工工藝會越來越完善，而且加工水品越來越高，此方面的失效形式會越來越小。

外部失效：外部失效一般都包括封裝時產生的失效和內外引線問題產生的失效。由于集成電路的廣泛應用和在封裝上要求的復雜程度越來越高，所以在這方面的失效會越來越多。

4 可靠性分析

4.1 集成電路檢測常識

在說可靠性前要談談集成電路檢測時候需要注意的一些東西

4.1.1 集成電路的檢測前準備

在每次維修一個集成電路前，我們應該首先熟悉其內部的電路走向，各個電路的功能，各元件的參數，電壓要求，各引線引腳的走向、波形以及整個集成電路的工作原理。

4.1.2 測試時避免短路損害元件

在我們每次帶電測量電路中元器件或用示波器測試波形時，應該注意避免造成短路現象，經常測量時因為引腳的短接而損害電路，而最安全的方式與引腳直接連接外圍進行測量。在測量集成電路時我們要加倍小心，由于任何不經意間的短路都可能造成不能挽回的損失。

4.1.3 焊接質量要求高

電路焊接時一定要焊接牢固，不能出現焊錫的堆積、氣孔現象，這樣很容易出現虛焊。焊接的時候每次焊接要快，烙鐵要盡量用正規的內熱式的，對焊接完成的電路板不要立刻通電測試，要先觀察焊接是否牢固，必要時用表測試是否有短路現象，確認無誤后方可通電測試。

4.1.4 嚴格禁止在無隔離的變壓器下

任何情況的帶電接觸帶有集成電路的電氣設備嚴格禁止在無電源隔離變壓器的帶有集成電路的電氣設備比如電視、錄像等設備直接用外殼已經接地的儀器設備直接測試。因為在不了解設備自身是否帶有電源隔離變壓器情況下，可能因為你的帶電操作而造成整個電氣設備的集成電路短接，這樣造成的后果不可估量。

4.1.5 電烙鐵的絕緣問題

在使用電烙鐵時，我們在焊接的時候是不準帶電操作的，因為不知道電烙鐵的絕緣性是否達標，一旦在焊接集成電路有電流通過，可能會對電路造成跟大的損壞。尤其是在進行焊接MOS電路時，更因加倍小心。

4.1.6 集成電路的損壞不要輕易下結論

集成電路的損壞需要做細致的檢查，不要輕易下結論說集成電路損壞。因為集成電路很多都是直接耦合，其中單個的電路不正常，就會造成電壓變化，壓力變化不能完全證明說集成電路損害，有時候一些引腳電壓的數值有一些小的偏差，這都是正常現象，而有時候可能因為一些別的原因也可能造成集成電路中的電流變化。

4.1.7 集成電路的散熱問題值得注意

一般功率集成電路都帶有散熱器，因為集成電路在大功率下工作會產生很高的熱量，如果不及時散出，可能會很容易燒壞集成電路。

4.1.8 測試集成電路的儀表內阻要大一點

一般情況下我們用儀表內阻大于20KΩ/N的表來測量集成電路的引腳直流電壓，因為內阻偏小的測量表測出的引腳電壓有可能會有很大的測量誤差。

4.2 集成電路常見的失效形式分析及控制措施

4.2.1 集成電路中經常見到的物理失效形式是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-baby model）、MM機器放電模式（Machine Model）、CDM存電元件模式（ Charged-device Model）等。從最末端客戶使用數據統計，在實際的生活中，ESD靜電放電模式和LATCH-UP損傷模式占整個集成電路失效的百分之八十以上。從集成電路制作方來講，為使用者制造出合格的集成元件產品是保障市場信譽度的重中之重，而從使用方法來講，提高集成電路的供應商集成電路抗閂鎖LATCH-UP損傷的能力和在ESD靜電放電等級方面，是評定其集成電路可靠性的重要指標，從而制造出更加優秀的集成電路。

4.2.2 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） -般透射電子顯微鏡的分辨率可以達到O.lnm，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。

5 集成電路對于我國未來的發展

在最近剛剛召開的第十三屆全國人大一次會議上，中國國務院的總理李克強同志在新一《政府工作報告》中提到“推動集成電路、第五代移動通信、飛機發動機、新能源汽車、新材料等產業發展”，這無疑是把集成電路產業發展放在國家實體經濟建設發展中的首要位置之一。我相信集成電路產業在國家的大力支持下，產業發展趨勢在國內將快速增長。

而且國家在最近幾年來里相繼的推出一系列支持改革政策來推進集成電路產業的快速發展。預計在到2020年期間，集成電路產業將逐步雖小與國際先進國家的之間的水平的差距，集成電路全行業的銷售收入年均水平將超過20%，同行業的電子產業的發展能力也得到大的提高;而且在一些核心企業中一些核心的基礎零件40%達到自給自足，逐步擺脫電子產業核心技術受限于外國的局面。在航空航天裝備、通信設備等產業中急需的核心電子元器）和關鍵材料的研發都得到國家大力的支持和推廣應用。

在集成電路產業中，堅持研發新型的、先進制程工藝技術是未來集成電路產業的的發展方向，而實際中各種各樣的加工制程工藝特點又個不相同，先進制造工藝和傳統制造工藝靈活運用于不同的產品，中國集成電路產業在未來的發展之路任重道遠。

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.

[3]孫肖子.張健康.專用集成電路設計基礎[M].西安電子科技大學出版社，2011.

[4]王陽元，集成電路工藝基礎[M].清華大學出版社，1991.

[5]迪建，中國集成電路產業發展機遇與挑戰[J].集成電路應用，2015.

[6]俞建風，陳翔，楊雪瑛，我國集成電路測試技術現狀及發展策略[J].中國測試，2009.

[7]中國集成電路設計分會年會論文集[M].中國，西安，2005.

[8]王永剛，集成電路的發展趨勢和關鍵技術[J].電子元器件應用，2009.