電壓檢測芯片失效分析

袁保玉 ， 侯旎璐 ， 李進

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.寧波賽寶信息產業(yè)技術研究院有限公司，浙江 寧波 315040；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

電壓檢測芯片失效分析

袁保玉1，2， 侯旎璐1，3， 李進1，2

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.寧波賽寶信息產業(yè)技術研究院有限公司，浙江 寧波 315040；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

近年來，隨著智能電表的廣泛使用，其質量和可靠性問題受到了人們越來越多的關注。但是，由于各種原因，產品投入市場后仍會出現(xiàn)各種失效現(xiàn)象。因此，對某智能電表的電壓檢測芯片的失效現(xiàn)象進行了分析，通過外觀檢查、電參數(shù)測試和X-射線測試等手段找到了該芯片的失效原因，并針對發(fā)現(xiàn)的問題提出了相應的改進意見。

智能電表；電壓檢測芯片；失效分析；外觀檢查；電參數(shù)測試

0 引言

隨著智能電表產品的廣泛使用，產品的質量和可靠性問題受到了人們越來越多的關注。但是，近年來，由于各個智能電表生產廠家在元器件的選型、組件工藝和電子輔料的使用等重要環(huán)節(jié)上缺乏質量管控手段，從而導致產品投入市場后仍會出現(xiàn)各種失效現(xiàn)象，因此，本文對某智能電表的電壓檢測芯片的失效案例進行了分析，并針對發(fā)現(xiàn)的問題給出了相應的建議，希望對該智能電表靜電損傷防護工作的開展有所幫助。

1 案例分析

1.1 背景

被測樣品為電壓檢測IC芯片，型號為XC61CN2602MR。送檢失效樣品3只，編號為F1#～F3#；良品3只，編號為G1#～G3#。送檢的電壓檢測IC為N阱漏極開路輸出。委托方提供的信息為：送檢樣品用于智能電表，失效樣品均為同一時期采購，失效比例約為0.001 8% （9/5 000）；裝機時間為 2015年12月，失效時間為2016年 3月，驗收階段發(fā)現(xiàn)失效；失效現(xiàn)象為對地阻抗降低，對地回路的功耗變大，電池持續(xù)放電引起電池欠壓。

1.2 分析過程

1.2.1 外觀檢查

對送檢樣品進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)送檢的失效樣品均為解焊樣品，表面可見殘留膠體，引腳處存在多余焊錫料。經(jīng)過清洗后可見 3只失效樣品為不同批次的電壓檢測芯片，與良品也非同一批次的樣品。失效樣品的表面未見破損、凸起等明顯的異常形貌，其典型的外觀形貌圖如圖1所示。

圖1 失效樣品的典型形貌圖

1.2.2 電參數(shù)測試

對送檢樣品進行I-V特性測試，3只失效樣品的VIN對VSS（PIN1-PIN3）呈現(xiàn)阻性或雙向結特性，而良品表現(xiàn)為單向結特性。此外，3只失效樣品VIN對VOUT（PIN1-PIN2）呈現(xiàn)單向結特性，而良品對應的PIN腳為開路。樣品的典型的I-V特性曲線如圖2所示。

圖2 良品和失效樣品的典型I-V特性曲線

1.2.3X-RAY測試

對送檢樣品進行X-RAY檢查，可見芯片粘接于基板的下方，未見明顯的異常和缺陷，典型的X-RAY測試照片如圖3所示。

圖3 失效樣品X-RAY形貌圖

1.2.4 C-SAM測試

對送檢樣品進行C-SAM檢查，可見F1#和F3#背面基板和塑封料界面分層，其余的樣品未見明顯的異常，典型的C-SAM形貌圖如圖4所示。

圖4 失效樣品C-SAM形貌圖

1.2.5 內部目檢&失效點定位 （OBIRCH）

對失效樣品進行化學開封，暴露出芯片。在金相顯微鏡下觀察芯片表面，未見有明顯的破損、腐蝕、過電壓擊穿或過流過熱等異常形貌。芯片采用Au絲鍵合，鍵合完好未見脫落，開封后復測樣品的I-V特性，測得的結果與在金相顯微鏡下觀察到的一致。利用激光掃描顯微鏡對失效樣品進行失效點定位測試（OBIRCH）。 在經(jīng)過激光熱激發(fā)后，樣品的芯片區(qū)域出現(xiàn)了電阻異常變化點，典型的結果如圖5a、圖5g和圖5m（箭頭指向點）所示。測試結果顯示，3只樣品的失效點均位于與VIN連接的 MOS管處柵極區(qū)域。

在金相顯微鏡下觀察定位的失效點，可見微小的異常點，對芯片去層后亦可以觀察到異常點，其中F2#樣品相應位置的熔融痕跡明顯 （如圖5k-l所示）； F3#對應位置也有熱熔變色現(xiàn)象 （如圖5r所示）。

此外，芯片表面的其余區(qū)域未見有明顯的異常和缺陷，開封后典型的內部目檢和失效點定位圖片如圖5所示。

圖5 失效樣品內部目檢&失效點定位形貌圖

1.6 掃描電子顯微鏡檢測

對失效樣品進行掃描電子顯微鏡檢測。去層后可見樣品F1#芯片中MOS管柵極異常位置有靜電擊穿形貌 （如圖6d所示）；樣品 F2#開封后芯片上 MOS管柵極異常位置有裂紋形貌 （如圖6f所示），去層后在該處可見損傷裂紋 （如圖6h所示）；樣品F3#去鈍化層后芯片上MOS管柵極有異常形貌 （如圖6j所示），去層后在該處可見熱熔后的異常形貌（如圖6l所示）。

2 綜合分析

失效樣品為電壓檢測IC芯片，根據(jù)委托方提供的信息，失效樣品均為同一時期采購的樣品，失效比例約為0.001 8%（9/5 000），驗收階段發(fā)現(xiàn)失效。I-V特性曲線測試顯示失效樣品的VIN-VSS之間均成異常阻性和雙向結特性等。

開封后，利用激光掃描顯微鏡對失效樣品進行失效點定位測試，可見明顯的電阻異常變化點。對該區(qū)域進行金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析，在逐步去層中觀察創(chuàng)擊穿點、電損傷裂紋和熔融變色等異常形貌。由于電能量較小，異常區(qū)域的尺寸較小，損傷深度較淺。

3只失效樣品的失效模式相同，失效定位區(qū)域也相同，均位于與VIN連接的MOS管的柵極區(qū)域的不同位置。失效點呈現(xiàn)靜電擊穿和損傷形貌，并且能量較小。3只失效樣品是不同批次的樣品，失效點位于靜電敏感的MOS管柵氧區(qū)域，并且除該區(qū)域外的芯片表面未見有明顯的異常點和缺陷。結合委托方提供的背景信息：樣品同批采購，冬季裝機到發(fā)現(xiàn)失效 （2015年12月到2016年3月），以上均符合靜電擊穿的特點。相關的檢測分析結果顯示：失效電壓檢測IC中VIN端口連接的MOS管中柵極氧化層存在靜電擊穿，最終導致樣品失效。

3 結束語

綜合以上分析結果可知，靜電損傷是造成電壓檢測芯片失效的主要原因，要想做好靜電損傷防護，建議從以下幾個方面著手：

1）安排專人負責保養(yǎng)和維護靜電放電保護區(qū)；

2）對裝機前的元器件進行篩選，優(yōu)選防靜電等級高的器件；

3）改善產品的存儲和運輸環(huán)境，使用防靜電的包裝材料，最大限度地降低由環(huán)境因素導致的靜電損傷。

圖6 失效樣品SEM形貌圖

[1]孔學東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

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

[3]田民波.電子封裝工程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]梁瑞林.貼片式電子元件[M].北京：科學出版社，2008.

[5]史保華，賈新章，張德勝.微電子器件可靠性 [M].西安：西安電子科學技術大學出版社，1999.

[6]盧其慶，張安康.半導體器件可靠性與失效分析[M].南京：江蘇科學技術出版社，1981.

Failure Analysis of Voltage Detection Chip

YUAN Baoyu1，2， HOU Nilu1，3， LI Jin1，2
（1.CEPREI， Guangzhou 510610， China；2.Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.， Ltd.， Ningbo 315040， China；3.CEPREI-EAST， Suzhou 215011， China）

In recent years， with the widespread use of smart meter， its quality and reliability issues have been paid more and more attention.However， when devoted into market use， the products will still appear a variety of failure phenomenon due to various reasons.Therefore，the failure phenomenon of the voltage detection chip of a smart meter is analyzed，and the failure reasons of the chip are found by means of visual inspection，electrical parameter test andX-ray test，and some corresponding improvement suggestions are given in view of the problems found.

smart meter； voltage detection chip； failure analysis； visual inspection； electrical parameter test

TB 114.39

A

1672-5468（2017）04-0049-08

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.009

2016-12-01

2017-06-21

袁保玉 （1984-） ，男，山東菏澤人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所、寧波賽寶信息產業(yè)技術研究院有限公司測試工程師，主要從事電子產品分析測試工作。

俄羅斯正計劃將人工智能技術運用到導彈上

據(jù)報道， 俄羅斯最近宣布，計劃開發(fā)一種包含人工智能技術的導彈。繼俄羅斯武器制造商Kalishnikov宣布正在設計一個小型武器自主系統(tǒng)后，俄羅斯戰(zhàn)術導彈公司也宣布計劃打造使用機器學習算法的人工智能導彈。該公司首席執(zhí)行官Boris Obnosov在莫斯科國際航展 “MAKS-2017”上宣布了這個消息。

Obnosov還回答了有關該公司的人工智能導彈的發(fā)展問題： “我們看到這個例子，當美國人在敘利亞使用它的時候，我們考慮什么時候是否有可能把導彈重新導向目標。這方面的工作正在進行之中。這是一個非常嚴肅的領域，需要進行基礎研究。截至到目前為止，我們已經(jīng)獲得了一些成功的經(jīng)驗，但我們仍然需要工作幾年才能取得具體的成果?！?/p>

目前美國也正在研發(fā)取代海軍 “魚叉”（Harpoon）反艦導彈系統(tǒng)的 “遠程反艦導彈”（LRASM）。該導彈據(jù)稱不需遙控，并且能夠在敵方多種干擾下，也可自主識別、獵殺目標。

這也并不是俄羅斯武器制造商首次宣布開發(fā)人工智能武器。AK-74突擊步槍制造商Kalishnikov集團的代表此前也表示該公司正在開發(fā)一個完全自主的武器系統(tǒng)。Kalashnikov主管Sofiya Ivanova表示： “在不久的將來，本集團將推出基于神經(jīng)網(wǎng)絡的一系列產品。我們計劃在 ‘ARMY 2017俄羅斯防務展'上展示一個具有這種技術的全自動化作戰(zhàn)模塊。” （摘自和訊網(wǎng)）