军用集成电路失效分析

孙家坤（中船重工第716研究所，江苏连云港，222000）

军用集成电路失效分析

孙家坤
（中船重工第716研究所，江苏连云港，222000）

随着科学技术的发展，集成电路在我国军用武器装备上的应用越来越广泛，其可靠性成为制约我国武器装备质量的一项重要因素，失效分析是集成电路可靠性及质量保证的重要环节，本文从失效分析的流程、方法、技术及发展入手，对军用集成电路的失效模式及失效机理进行了详细的讲解，随着元器件设计与制造技术的不断提高及失效分析技术和工具的逐步完善，失效分析工作将在集成电路质量控制方面发挥更大的作用。

集成电路；失效分析；电性分析；物理分析

0 引言

失效分析是一种确定产品失效原因的诊断过程，失效分析技术已经在电子元器件行业得到了广泛的应用，集成电路作为电子元器件的代表产品，在军用武器装备中应用越来越广泛，其质量直接影响到的军用武器装备的可靠性。失效分析作为集成电路质量和可靠性保证体系的重要组成部分 ，它是利用电、物理、化学等各种技术查找失效模式和失效机理，向设计和制造工艺及时提供相关信息，由于集成电路从设计到制造过程非常复杂，每一个过程引入的错误都可能导致最终产品的失效，因此失效分析是一个极其复杂的技术过程。失效分析的目的是尽可能多的从现场失效和试验失效中去搜寻相关信息（失效形态、失效表现现象、失效结果等）进行归纳总结分析集成电路的失效模式，分析验证失效机理，并对失效模式和失效机理采取有效地措施，最终不断提高产品可靠性。

1 军用集成电路失效分析基本流程

1.1 失效分析遵循的基本规律

失效分析的流程非常繁琐，但是其遵循的基本规律基本是相同的。

(1)先进性非破坏性分析后进行破坏性分析。

(2)先进行外部分析，后进行内部分析。

(3)先调查了解与失效有关的情况，后分析失效器件。

即对于失效的集成电路，要以非破坏性检查为先，非破坏性分析不能发现失效原因的情况下再对失效集成电路进行进一步检查。不同的集成电路及不同的失效模式都对应不同的分析流程，有的只需检查外部封装就可以发现失效模式，有的则需进行深入的电路分析及配合高精度的设备才能确定其失效模式，所以进行失效分析时应谨慎进行以免引入新的失效因素。

1.2 失效分析的一般步骤

典型的失效分析的一系列步骤如下所示。

(1)对失效模式进行分析验证，测试人员有可能错误定义了集成电路的失效模式，导致失效分析人员得到的失效信息是错误的，对失效模式进行确认可以避免后续不必要的工作产生。

(2)失效种类的确认。失效种类可以理解为电性上的失效以及物理上的失效特征，对应电性上的有参数上的失效、有漏电流产生的失效等。而对应物理的失效有封装损坏、腐蚀等，与此同时还要搞清楚失效产生的测试环境。

(3)确定需要分析的失效类别。一个集成电路可能存在很多的失效机理，但是不同的测试条件下可能只能确定其中一种特定的失效种类，分析错误的或者是不完全的失效种类最终得到的很可能不是期望得到的失效机理，因此正确分的析失效种类尤为重。

(5)确认失效机理，确定失效的位置。所有失效分析技术最终都是为了确定缺陷位置以及失效机理，所以这一步至关重要。

(6)根据失效位置及失效机理确定相应的改正行为。到了这一步就是整个设计团队需要共同完成的了，包括可靠性、工艺、设计和测试等。

(7)总结归档反思。即使得到了正确的失效机理并定位了缺陷所在的位置，但是一些失效模式还是会再次或反复出现。因而养成归档总结反思的习惯，逐步积累经验可以减少后续出失效分析的分析时间并加快设计及工艺上的改进。

2 失效分析技术解析

2.1 失效分析应用的技术

随着集成电路的集成度越来越高，导致其失效分析的难度和失效分析的投入越来越大，只有将失效的种类进行划分，将其分门别类，并按重要性的高低排列出来，优先分析重要的失效种类，才能充分利用资源，以免造成不必要的消耗，失效分析的技术大致分为两种。

(1)非破坏性失效分析

非破坏性失效分析不会对集成电路产生毁坏而引入新的失效机理，同时这些非破坏性的技术也不会对后续器件的使用造成损伤，非破坏性失效分析技术对集成电路的失效分析是十分必要的，且器件失效分析技术和仪器设备都是以非破坏性为终极目标的。典型的分析手段如光镜检测、电性能方面测试、非电性能方面测试等

(2)破坏性失效分析

破坏性失效分析会对半导体器件产生不可逆的损伤，并且使得相应的电性能分析无法在进行，所以在进行破坏失效分析之前必须要先完成非破坏性失效分析以及电性能方面的测试，确认缺陷所在的位置。很多失效案例中，破坏性技术手段可以作为判别失效种类产生根源与我们所判断的是否一样的依据。包括：开封、第一优先级的分析技术、物理分析技术、EDS、SEM等。

2.2 失效分析技术研究

军用集成电路失效分析各项关键技术之间的关系如下图所示。

图1 军用集成电路失效分析各项关键技术之间的相互联系

2.2.1 失效现象的确认

集成电路失效以后，首先要对失效现象进行分析，根据集成电路的应用搭建相应的验证平台，确认失效现象，此外还包括查看自动测试设备的测试结果和管脚的特性测试。自动测试设备的测试是根据电路所完成的功能来模拟电路的使用条件，然后编制自动测试程序，施加电应力。通过这种方法可以判断失效电路存在设计方面的失效，还是偶然出现的失效。但是自动测试给出的一系列数据，并不能直观的反应出器件的特性，通过专用的V-I测试夹具，并配合图示仪，可以准确测出管脚端口的V-I 特性，确定失效管脚，为后续缺陷定位提供比较精准的定位。

2.2.2 开封前检查

分析失效的集成电路，第一步要做的就是开封前封装方面的检查，以确定在封装环节芯片是否有物理上的损伤，比如封装内部DIE和FRAME分层。BOND线断裂等，这些缺陷都可以在开封前的封装检查环节发现，这一环节主要包括：外观检查、X射线透视检查和扫描声学显微镜检查：

(1)外观检查，外观检查是最直观最简单的分析手段，可以在显微镜下观察继承地那路的封装是否开裂，芯片管脚是否接触良好等，

(2)X射线检查，利用X射线仪可以检查塑封树脂中的空洞、烧断金丝、封装裂缝、芯片断裂、金球剥离等情况。

(3)扫描声学显微镜检查，作为一项比较重要的无损检测技术，扫描声学显微镜在检测材料的性能、内部缺陷方面都有着其他技术无法比拟的优点。它能观察到光学显微镜所无法观察到的样品内部区域，能提供X射线无法得到的高衬度观察，非常适用于不宜使用破坏物理分析的场合。

2.2.3 打开封装

通过上述开封前检查测试，只能对电路的失效模式做一个比较初步的判定，而我们更关心的是缺陷的精确位置或者是问题的根源所在。这就要求我们对电路进行更深层次的剖析，剥开芯片封装，暴露出DIE表面，而对芯片的功能没有影响，为接下来进行的电性分析和物理分析做铺垫。对以不同封装形式的集成电路和不同的分析目的，应采用不同的去封装解剖方式。对于塑封电路一般采用以下三种方法。

(1)全剥离法：将电路放在电炉上进行烘烤，到一定程度后用钳子和镊子掰开电路，然后再用防静电镊子将芯片加出。这种开封方式适用于从失效模式判断集成电路有外来无污染或者是腐蚀的情况，例如盐雾试验后或者是在特别的应用环境下应用的样品解剖，但是由于金丝和引线的连接被破坏，所以不宜做动态分析。

(2)局部去除法：局部去除法又分为研磨法、钻孔法、粘贴法等。研磨法是用研磨机尽可能多的研磨树脂，使得其尽可能近的接触芯片表面但是又不破坏金丝，再将其放置于加热的硝酸中腐蚀出芯片。钻孔法比较适用于双列直插封装形式的电路剖析，它是将芯片放于精密铣床上，然后在芯片所在位置铣出与芯片大小相同的孔，当铣到接近芯片表面时，将电路放置于电炉上并在孔内滴入加热的发烟硝酸，从而腐蚀出芯片。粘贴法适用于小外封装的电路和扁平封装的电路，先将电路粘贴在胶带纸上用刀片镂空，然后在放置于酸中进行腐。

(3)全自动法：目前国外有公司生产全自动剖析仪对塑封电路做局部腐蚀，这种设备由于安全而受到客户的青睐，但是有专家指出这种设备由于硫酸腐蚀时间过长，空气进入设备后会导致设备自动停下，所以其应用也受到了很大的限制。

2.2.4 镜检

镜检是显微镜检查的简称，适用于芯片的表面检查，如白雾、变色、钝化、有无导电银浆外溢等。

2.2.5 电性分析

电性分析是物理分析的前提，通过电性分析能够将缺陷具体定位到芯片上的具体位置，电性分析具体内容包括：

(1)缺陷定位：半导体行业是一个追求高质量、快速度、低成本的行业，快速设计、快速实效定位及快速修正是半导体行业的三个管脚步骤，快速的点定位成了一个承上启下的中轴，随着技术的发展，失效点快速定位的手段和技术也越来越成熟，如Emission1显微镜、OBIRCH、液晶热点检测技术等

(2)电路分析：根据缺陷定位的定位到的缺陷点位置，运用数模电路知识进行电路分析，缩小缺陷点电路的范围，再结合探针检测定位失效器件。

(3)微探针检测分析：根据上述失效定位得到的电路某个功能模块的失效，将这一个模块或者器件单独隔离并将为探针探到模块的内部器件上进行相关电参数的分段测试，最后确定失效机。

2.2.6 物理分析

失效集成电路的物理分析技术现阶段主要有四种方式：失们追求的是LTE-FDD无线网络系统的质量和安全度。因此，我们需要充分了解LTE-FDD技术的相关知识以及相关的LTE-FDD无线网络系统的特点，并且制定一个目标以及要采取有效详细的措施，尽最大可能的完成既定的目标。因此，我们应当结合LTE-FDD无线网络系统的实际情况，具体问题具体分析，努力追求和实现其质量目标。

2.6 加强对LTE-FDD无线网络系统的各项检查

LTE-FDD技术的规范设计与应用具体来说就是对目前已经运行的网络系统进行各项检查，例如，对数据采集、数据分析、各种硬件设备的检查等等，同时，通过对LTE-FDD无线网络系统的研究，从中得出影响LTE-FDD无线网络系统正常运行的主要因素，在此基础上对这一问题进行研究分析，及时找出相应的解决措施，更好的保障LTE-FDD无线网络系统的安全性。

2.7 保障安全有效的信息传输

加强LTE-FDD技术的规范设计与应用，还要加强技术手段来避免对LTE-FDD无线网络系统的优化干扰，这样做可以减少LTE-FDD无线网络系统中的设备故障问题，以便于对用户的信息进行及时的采集。除此之外，还可以保障LTE-FDD无线网络系统的无线信号覆盖，加强对各种数据的分析研究，一旦发现有异常的情况，及时的采取措施，以此来保障信息传输的安全性与稳定性，从而能够保障LTE-FDD无线网络系统的正常运行，增强LTEFDD技术的规范设计。

3 结语

综上所述，通过本文对LTE-FDD技术的规范设计与应用的相关介绍，我们了解了LTE-FDD无线网络无线设计优化的优势之处以及强化LTE-FDD技术的规范设计与应用的措施，这对于我们更好的掌握LTE-FDD技术起到了很大的帮助作用，从而能够最大限度地提高LTE-FDD技术的规范设计与有效运用，保障LTE-FDD无线网络系统的安全稳定，保证我国移动通信公司的稳定发展，进而促进我国的经济发展和社会稳定。

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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 文献标示码A