某单片微波集成电路漏电问题分析

钱雨鑫 ， 汤仕晖 ， 李进

(1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610 2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波 315040)

0 引言

单片微波集成电路 (MMIC：Monolithic Microwave Integrated Circuit)已成为当前发展各种高科技装备的重要支柱，并广泛地应用于各种战术导弹、电子战、通信系统和陆海空基的各种先进的相控阵雷达 (特别是机载和星载雷达)中；在民用商业的移动电话、无线通信、个人卫星通信网、全球定位系统、直播卫星接收和毫米波自动防撞系统等领域也已形成了正在飞速发展的巨大市场。随着应用范围越加广泛，对于该类型器件的质量可靠性也提出了更高的要求。

1 案例分析

样品为2路放大器MMIC，共有3只失效样品，编号为：F1#～F3#；良品4只，编号G1#～G4#。根据失效信息，失效样品在客户端使用时出现不良现象，装机时间为17个月，失效表现为产品上光机频响不良，失效比例约为4/90。样品的引脚定义度如图1所示。

图1 样品的引脚定义图

2 分析过程

2.1 外观检查

对样品进行外观检查，发现失效样品F1#～F3#为拆机件，引脚残留焊料，但表面未见破损等明显的异常形貌。样品的典型外观照片如图2-9所示。

图2 F1#正面形貌

图3 F1#背面形貌

图4 F2#正面形貌

图5 F2#背面形貌

图6 F3#正面形貌

图7 F3#背面形貌

图8 G1#正面形貌

图9 G1#背面形貌

2.2 X-ray测试

对样品进行X-ray检测，未见明显的异常，样品典型的X-ray形貌如图10-17所示。

图10 F1#的X-ray形貌

图11 F1#侧面X-ray形貌

图12 F2#的X-ray形貌

图13 F2#侧面X-ray形貌

图14 F3#的X-ray形貌

图15 F3#侧面X-ray形貌

图16 G1#的X-ray形貌

图17 G1#侧面X-ray形貌

2.3 I-V特性曲线测试

为了确定失效样品的失效特性，对样品进行I-V特性曲线测试，结果显示：F1#的PIN1-PIN8、PIN4-PIN5， F2#的PIN4-PIN5， F3#的PIN4-PIN5相较于良品存在漏电现象。对失效样品进行105℃、12 h的烘烤，未见其I-V特性曲线有明显的变化。样品的典型测试结果如图18-25所示。

图18 F1#的PIN1/PIN8的I-V特性曲线

图19 F1#的PIN4/PIN5的I-V特性曲线

图20 F2#的PIN1/PIN8的I-V特性曲线

图21 F2#的PIN4/PIN5的I-V特性曲线

图22 F3#的PIN1/PIN8的I-V特性曲线

图23 F3#的PIN4/PIN5的I-V特性曲线

图24 G1#的PIN1/PIN8的I-V特性曲线

图25 G1#的PIN4/PIN5的I-V特性曲线

2.4 声学扫描检查

为了检查样品不同材料界面的粘接情况，利用扫描声学显微镜 (SAM：Scanning Acoustic Microscope)对样品进行声学微区成像分析。检测发现失效样品内基板和塑封料界面存在明显的分层 (图26中1-8区域表示分层)，典型的形貌如图26所示。

图26 样品C-SAM结果 （正面）

2.5 内部目检与扫描电子显微镜检查

对样品F1#、F2#和G1#～G3#进行化学开封，在金相显微镜和扫描电子显微镜 (SEM：Scanning Electron Microscope)下观察样品内部的芯片。样品F1#内的芯片2(PIN4/PIN5)，F2#内芯片1(PIN1/Pin8)、芯片2(PIN4/PIN5)表面可见钝化层破损。其中，F1#芯片1钝化层部分脱落，对钝化层脱落的芯片表面及其栅沟道区域进行观察，未见明显的缺陷和损伤形貌。其余样品内芯片表面未见烧毁、迁移、桥连等明显的异常形貌。对开封后的失效品进行I-V特性曲线测试，漏电曲线未见明显的变化。3只良品内部芯片完好，均未见钝化层破损，亦未见明显的异常形貌。样品的典型内部目检和SEM形貌如图26-44所示。

图27 F1#开封后芯片1（PIN1/PIN8）的形貌

图28 F1#开封后芯片1的形貌

图29 F1#开封后芯片1的SEM形貌

图30 F1#开封后未清洗芯片2（PIN4/PIN5）

图31 F1#开封后芯片2的形貌

图32 F1#开封后芯片2（PIN4/PIN5）的SEM形貌

图33 F1#开封后芯片2（PIN4/PIN5）的SEM形貌

图34 F1#内部芯片1钝化层脱落表面SEM形貌

图37 F2#开封后芯片1钝化层破损SEM形貌

图38 F2#开封后芯片2（PIN4/PIN5）的形貌

图41 G1#开封后芯片1（PIN1/PIN8）的形貌

图42 G1#开封后芯片2（PIN4/PIN5）的形貌

图43 G2#开封后芯片1（PIN1/PIN8）的形貌

图44 G2#开封后芯片2（PIN4/PIN5）的形貌

2.6 光发射显微镜检查

用光发射显微镜 (EMMI：Emission Microscope)对样品进行检测，对F1#的芯片1和良品G1#的芯片1的PIN1/PIN8通电，样品的芯片区域均能探测到发光点，其中F1#芯片栅极下方发光点相对较多，典型的图片如图45-46所示。

图46 G1#的芯片1（PIN1/PIN8）的EMMI检测结果

图45 F1#的芯片1（PIN1/PIN8）的EMMI检测结果

2.7 去层检测

对样品去层后观察样品，发现样品芯片的钝化层下面覆盖有一层胶状层，去除后对芯片表面以及栅沟道区域进行观察，未见明显的过电形貌和异常。典型的图片如图47-52所示。

图47 F1#芯片1（PIN1/PIN8）去层形貌

图48 F1#芯片1（PIN1/PIN8）去层形貌

图49 F1#芯片2（PIN4/PIN5）去层形貌

图50 F1#芯片2（PIN4/PIN5）去层形貌

图51 F2#芯片2（PIN4/PIN5）去层形貌

图52 F2#芯片2（PIN4/PIN5）去层形貌

3 综合分析

样品为GaAs的MMIC放大器，样品的I-V曲线表明样品存在漏电现象。

C-SAM检查发现器件内部存在分层，开封后观察到失效样品表面钝化层均存在明显的开裂。其中，有漏电特征的F1#芯片1(PIN1/PIN8)未见明显的钝化层破损，而I-V特性正常的F2#芯片1(PIN1/PIN8)表面存在钝化层破损，并且失效芯片开封后仍保持漏电特征，说明失效样品内存在钝化层的破损现象但跟漏电失效并没有直接关系。而芯片的钝化层破损可能与所受热应力和热失配有关。

失效样品内芯片表面和去层后的形貌均未发现跟失效现象有关的明显的异常形貌。相关检测分析表明，样品失效可能与ESD损伤或沟道退化有关。

4 结束语

通过分析发现，样品的失效模式为漏电，内部芯片表面可见钝化层破损。因此推测样品失效与ESD损伤或沟道退化有关。