白潔　趙冰清　魯要強(qiáng)　耿曉瑞

摘 要：針對(duì)一種高壓驅(qū)動(dòng)芯片的失效問題，本文分析了其失效機(jī)理，主要通過電性能分析、光學(xué)顯微鏡分析、透射射線分析和開蓋檢查等分析手段，定位了該集成電路的失效點(diǎn)和失效機(jī)理，并通過復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)確認(rèn)了驅(qū)動(dòng)芯片失效的原因。輸入端的高能量外部過電應(yīng)力（EOS）過流與過熱，使晶圓內(nèi)部線路發(fā)生熔化，造成驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端和電源正極短路，引發(fā)器件失效。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)芯片;EOS;失效

中圖分類號(hào)：TN401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）23-0045-03

Failure Mechanism Analysis of a High Voltage Drive IC

BAI Jie ZHAO Bingqing LU Yaoqiang GENG Xiaorui

（Gree Electric Appliances （Zhengzhou） Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Aiming at the failure problem of a high voltage driver chip， this paper analyzed its failure mechanism， and located the failure point and failure mechanism of the integrated circuit mainly through electrical performance analysis， optical microscope analysis， transmission ray analysis and open cover inspection， and confirmed the cause of the failure of the driver chip by the recurrence test. The high-energy external over-current stress （EOS） overcurrent and over-heat at the input end melts the internal wiring of the wafer， causing the input terminal of the driver chip and the positive terminal of the power supply to be short-circuited， causing device failure.

Keywords： driver chip;EOS;failure

KID65783AP是由KEC公司生產(chǎn)的一種高壓驅(qū)動(dòng)集成電路，該款芯片為雙列直插18腳封裝。工作電壓最高可達(dá)50V，單路電流為500mA，功耗為1.47W。該芯片廣泛應(yīng)用于各類加電產(chǎn)品的顯示驅(qū)動(dòng)電路中，尤其是需要驅(qū)動(dòng)高電壓的LED時(shí)，它通?？梢院蚒LN2003芯片配合組成LED驅(qū)動(dòng)放大電路，從而很好地解決普通MCU驅(qū)動(dòng)能力偏弱的問題[1，2]。

本文結(jié)合KID65783AP芯片失效導(dǎo)致空調(diào)顯示板顯示異常的1個(gè)實(shí)際案例，淺談該類芯片失效分析的基本步驟和常見方法。在該案例中，筆者按照失效現(xiàn)場樣失效數(shù)據(jù)的收集、電測性能、非破壞性分析和破壞性分析等步驟，最終確認(rèn)了芯片失效的原因。其間利用相關(guān)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)象，最終提出提升產(chǎn)品可靠性的優(yōu)化方案，從根本上解決該問題。該案例可以為其他家電產(chǎn)品生產(chǎn)制造期間進(jìn)行失效排查和預(yù)防整改提供參考，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 事件背景

在1周時(shí)間內(nèi)，空調(diào)總裝廠生產(chǎn)線連續(xù)出現(xiàn)15例相同故障：空調(diào)整機(jī)運(yùn)行測試過程期間，顯示器顯示內(nèi)容錯(cuò)亂。經(jīng)詳細(xì)排查，筆者確認(rèn)該故障是由空調(diào)顯示板上使用的KID65783AP驅(qū)動(dòng)芯片失效導(dǎo)致的，更換該芯片后，裝機(jī)測試，全部恢復(fù)正常。為弄清該芯片大量失效的原因，并進(jìn)行有效的失效預(yù)防和質(zhì)量整改，本文詳細(xì)分析和驗(yàn)證該芯片失效。

2 失效機(jī)理分析

2.1 失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集

個(gè)別空調(diào)發(fā)生故障時(shí)，生產(chǎn)線體比較分散，但故障現(xiàn)象都為顯示異常。更換驅(qū)動(dòng)芯片后，全部恢復(fù)正常，未有其他元器件同步損壞。如表1所示，從現(xiàn)場收集的信息來看，初步排除生產(chǎn)過程問題，基本鎖定驅(qū)動(dòng)芯片異常。

2.2 電測和失效模式的確定

本研究使用晶體管特性圖示儀對(duì)失效芯片各I/O接口和VCC、GND之間的I-V特性曲線進(jìn)行測試，對(duì)比正常樣品的特性曲線。測試結(jié)果表明，所有失效芯片的PIN1和VCC之間存在短路（該芯片PIN1～PIN8腳為信號(hào)輸入引腳，PIN11～PIN18腳為輸出引腳，PIN9和PIN10腳分別為VCC和GND），由此可以確定芯片的失效模式為輸入引腳對(duì)電源腳短路。

2.3 芯片外觀和PCBA焊接情況檢查

利用光學(xué)顯微鏡全面檢查失效樣品外觀，未發(fā)現(xiàn)外觀有可見的破損、開裂等機(jī)械損傷，機(jī)械應(yīng)力造成損傷的可能性被排除;對(duì)芯片焊接引腳部位進(jìn)行金相切片分析，結(jié)果表明，芯片和主板焊盤焊接情況良好，沒有焊接裂縫、氣孔、雜物等不良焊接現(xiàn)象，說明芯片短路并非焊接或裝配過程異常導(dǎo)致[3]。

2.4 X射線透視檢查

本研究對(duì)失效的所有樣品均進(jìn)行了X-RAY內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查，如圖1所示。檢查結(jié)果顯示，失效樣品的內(nèi)部支架完整，綁定線排列整齊無多線、變形或者交叉的異常情況，晶圓和底板焊接無氣泡空洞等異?，F(xiàn)象。

2.5 開封檢查

上文通過非破壞性分析并未觀察到芯片失效的具體原因，下一步開始進(jìn)行破壞性分析，即對(duì)芯片進(jìn)行開封處理，利用化學(xué)濕法腐蝕去除失效芯片的外部黑色樹脂封裝，檢查內(nèi)部的晶圓情況，如圖2所示。完成開封后，使用超景深顯微鏡對(duì)芯片內(nèi)部的晶圓進(jìn)行觀察。經(jīng)過觀察對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)，晶圓PAD1上（對(duì)應(yīng)芯片PIN1）存在明顯的過電損傷痕跡，同時(shí)PAD1和VCC之間區(qū)域存在一條比較規(guī)則的連接線，對(duì)比正常晶圓版圖，該位置并無此連接線。

對(duì)照該芯片晶圓的電路原理圖，筆者確認(rèn)該損傷點(diǎn)剛好位于芯片第1輸入通道輸入端（對(duì)應(yīng)芯片第1腳）與電源端之間的保護(hù)二極管位置。這和電測的結(jié)果完全吻合，由此可以判斷，該處出現(xiàn)的損傷點(diǎn)以及兩個(gè)PAD之間的不明連接線是導(dǎo)致PIN1和VCC之間短路的直接原因。

2.6 切片分析

為進(jìn)一步確認(rèn)PAD1和VCC之間的不明線路產(chǎn)生的原因，下一步對(duì)不良品晶圓失效點(diǎn)位置進(jìn)行切片分析，利用離子束切割技術(shù)對(duì)晶圓上多余連接線位置進(jìn)行了縱向切割如圖3所示。為了避免離子束切割對(duì)樣品造成損傷，提前在晶圓鈍化層之上又覆蓋了一層PT保護(hù)膜。

接著，對(duì)完成切割后的樣品進(jìn)行光學(xué)檢查，從切面的圖像可以觀察到，失效樣品的鈍化層和硅襯底之間比正常樣品多出了一條清晰的金屬導(dǎo)電線路。該線路剛好把信號(hào)輸入端[IIN]和[VCC]的PDA接通，導(dǎo)致外部引腳的短路。

最后，對(duì)該處金屬導(dǎo)電線路進(jìn)行進(jìn)一步的成分分析，結(jié)果表明，導(dǎo)電線路材質(zhì)為金屬鋁，剛好和晶圓內(nèi)部用于制作PAD的金屬材質(zhì)相同。由此可以推斷，芯片發(fā)生短路的原因?yàn)镋OS失效。失效機(jī)理為芯片工作期間，電壓波動(dòng)導(dǎo)致芯片工作電流急劇增大，發(fā)熱量隨之增加，隨著熱量的累積，晶圓內(nèi)部金屬層最終發(fā)生熱熔現(xiàn)象。隨著熔化金屬的蔓延，[IIN]和[VCC]之間最終形成一條導(dǎo)電通路，造成芯片PN1和VCC之間的短路失效。

2.7 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過一系列分析，筆者基本鎖定了芯片失效的原因，即EOS導(dǎo)致的芯片內(nèi)部過流引起局部急劇發(fā)熱，造成晶圓內(nèi)部PAD熔化，熔化后的金屬鋁形成了一條連接信號(hào)輸入腳和芯片電源腳的導(dǎo)電通路，最終引發(fā)短路現(xiàn)象。

為了對(duì)以上分析和推斷進(jìn)行驗(yàn)證，本研究又安排了模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)：取正常的空調(diào)主板在常溫下進(jìn)行通電，設(shè)置4組不同的驅(qū)動(dòng)電壓和芯片電源電壓，使芯片內(nèi)部達(dá)到過流條件。試驗(yàn)時(shí)間為1min，之后切換下一組電壓。每組電壓施加完成后，需測試芯片輸入腳和VCC中間的阻抗值（正常樣品的阻抗約為7.7MΩ）。經(jīng)過一系列的測試和統(tǒng)計(jì)，最終得出以下試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

從試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在芯片輸入信號(hào)電壓和芯片供電電壓超標(biāo)的情況下，試驗(yàn)樣品最終都發(fā)生了短路現(xiàn)象。為確定試驗(yàn)失效樣品和生產(chǎn)線失效樣品失效機(jī)理是否一致，本研究對(duì)試驗(yàn)失效的樣品同樣進(jìn)行了開封處理，如圖4所示。

在光學(xué)顯微鏡下仔細(xì)觀察內(nèi)部晶圓，筆者發(fā)現(xiàn)，PAD1和VCC之間有非常明顯的損傷點(diǎn)，而且其中1個(gè)試驗(yàn)樣品的相同位置也出現(xiàn)了和產(chǎn)線下線樣品相似的導(dǎo)電線路。試驗(yàn)?zāi)M和驗(yàn)證分析的結(jié)果表明前述推論完全成立。

3 整改方案

經(jīng)過詳細(xì)分析并且加以模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，筆者最終鎖定芯片失效的原因?yàn)镋OS導(dǎo)致的芯片內(nèi)部過流損傷。針對(duì)該種情況，本研究分別從生產(chǎn)過程隱患點(diǎn)排查和芯片本身抗EOS損傷的能力兩方面進(jìn)行了整改，雙管齊下。

一是對(duì)生產(chǎn)線空調(diào)測試電源和接線端子全面排查，對(duì)電壓存在波動(dòng)的穩(wěn)壓電源進(jìn)行更換，對(duì)存在接觸不良的接線端子進(jìn)行報(bào)廢換新。二是經(jīng)過對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，芯片PN1和VCC之間的電氣間隙相比其他輸入腳明顯偏小，屬于晶圓線路設(shè)計(jì)問題。相關(guān)情況反饋到芯片生產(chǎn)廠家后，廠家已對(duì)晶圓內(nèi)部線路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加各輸入腳和VCC之間的PDA距離，增大電氣間隙。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后晶圓對(duì)比如圖5所示。

4 結(jié)論

本文針對(duì)空調(diào)顯示電路中的高壓驅(qū)動(dòng)芯片功能失效問題進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明，EOS是導(dǎo)致芯片失效的原因。同時(shí)，針對(duì)該驅(qū)動(dòng)芯片PNI1和VCC電氣間隙過小的問題，筆者從產(chǎn)線測試環(huán)境和芯片設(shè)計(jì)兩方面提出了改進(jìn)方案。改進(jìn)方案實(shí)施后，未再出現(xiàn)批量的失效，表明芯片失效原因的分析是正確的，制定的整改方案也是有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1]恩云飛.電子元器件失效分析技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[2]楊建軍.失效分析與案例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3]陶春虎.失效分析新技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.