王天暢,李岳林
(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,沈陽110000;2.大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,大連116028)
某型號八位微控制器電路,作為一款高效率的CMOS 微控制器芯片,采用了高密度非易失性存儲器(Non-Volatile Memory, NVM)工藝制造,在單芯片上具有集成了高效的標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)的八位CPU。該CPU 支持6 時鐘和12 時鐘模式。芯片內(nèi)部含有 64 kByte 的 ISP(In-System Programmable)和IAP(In-Application Programmable)Flash 以及 1 kByte RAM。片上Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程和在應(yīng)用可編程,ISP 功能允許用戶在線下載新的程序,而IAP 則允許用戶在應(yīng)用時獲取和更新程序。
在使用某型號八位微控制器的過程中出現(xiàn)過很多導(dǎo)致器件失效的問題,從整體來看可以分成器件外部損傷、內(nèi)部軟件缺失、器件內(nèi)部損傷三大類。器件的外部損傷主要包括管腳損傷與沾污,被沾污或損傷的管腳在實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)接觸不良的情況,導(dǎo)致器件的工作狀態(tài)不穩(wěn)定,甚至根本無法工作;內(nèi)部軟件缺失主要指未燒錄驅(qū)動程序,這會使得器件無法驅(qū)動,不能進(jìn)入工作狀態(tài);器件內(nèi)部損傷主要指靜電擊穿和浪涌這種過電應(yīng)力對器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷的情況,這會導(dǎo)致器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,難以正常工作。
針對這些問題,需要進(jìn)行失效分類和失效機(jī)理分析,應(yīng)用正確的失效分析方法,形成排查糾正措施,以期更快速有效地解決問題。
某型號八位微控制器功能框圖如圖1 所示,主要由CPU、存儲器和外設(shè)等部分構(gòu)成。其中存儲器有64kByte Flash 和1kByte SRAM;外設(shè)有全雙工增強(qiáng)型通用異步接收機(jī)、計數(shù)器0/1/2、可編程邏輯陣列、看門狗、可配置I/O 端口0/1/2/3 和振蕩器。該八位微控制器能夠方便地組裝成智能式測控設(shè)備、各種智能儀表和規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng),也可實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
圖1 某型號八位微控制器功能框圖
目前常用的失效分析方法有電測試技術(shù)、顯微形貌分析技術(shù)、顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、應(yīng)力試驗技術(shù)、解剖制樣技術(shù)等。該款八位微控制器電路的主要失效類型分為:管腳損傷與沾污、未燒錄驅(qū)動程序、靜電擊穿和浪涌。此處主要使用顯微形貌分析技術(shù)、電測試技術(shù)以及解剖制樣技術(shù)[1],從器件的外觀、驅(qū)動程序和內(nèi)部結(jié)構(gòu)三個角度進(jìn)行失效分析。
顯微形貌分析技術(shù)是通過光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透視電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)等分析儀器,研究各種材料的顯微組織大小、形態(tài)、分布、數(shù)量和性質(zhì)的一種方法[2]。
管腳(即Pin)是從集成電路內(nèi)部引出與外部電路相連的引線,其損傷會直接對元器件功能造成影響,因此對其進(jìn)行檢查十分有必要。
用肉眼比對檢查失效元器件與良好元器件,可以觀察到機(jī)械損傷、管殼變色或封裝裂縫等異常情況。有時管腳表面會存在著更加細(xì)微的沾污或損傷,僅靠肉眼難以察覺,此時即需要使用4~80 倍的立體顯微鏡,或者更大倍數(shù)的金相顯微鏡來觀察管腳部位。
觀察到的兩種管腳沾污如圖2 所示??梢悦黠@看出,電路管腳存在的異物有絲狀與球狀之分。其中絲狀異物使用洗耳球可以去除,燃燒后散發(fā)蛋白質(zhì)燃燒的臭味[3],可推斷為運(yùn)輸轉(zhuǎn)移過程中粘連的毛發(fā);球狀異物無法用洗耳球清除,整體呈現(xiàn)燒結(jié)狀態(tài),推斷應(yīng)為防靜電海綿在高溫狀態(tài)下的殘余。
圖2 顯微鏡下觀察到的管腳沾污
觀察到的兩次機(jī)械損傷如圖3 所示。圖3(a)中見到的是管腳表面(根部)劃痕,該劃痕比較明顯,但引線表面無鍍金層缺失現(xiàn)象,經(jīng)系統(tǒng)測試合格,證明該損傷對電路功能無明顯影響;圖3(b)劃痕較為嚴(yán)重,金層已遭到破壞,進(jìn)行系統(tǒng)測試時出現(xiàn)連接不穩(wěn)定現(xiàn)象,證明該損傷已對電路功能造成較大影響。由此可見,利用顯微形貌分析技術(shù)對失效元器件進(jìn)行檢查十分必要。
圖3 兩種不同程度的機(jī)械損傷
此處選取的該款微控制器為仿制國外Philips公司的P89C51RD2 電路,可進(jìn)行原位替代。在研制過程中,為保證電路穩(wěn)定性,在時序?qū)懭牒蜁r序擦除方面進(jìn)行了更嚴(yán)格的約束,此外還按照新的時序要求自主研發(fā)了專用并行編程器,在供貨前燒錄驅(qū)動程序,同時向用戶提供自主設(shè)計開發(fā)的專用并行編程器,以方便客戶燒錄程序[4]。
在實(shí)際操作過程中,如果使用專用編程器燒錄用戶程序結(jié)果正常,但使用Flash Magic 軟件燒錄用戶程序顯示連接失敗,且擦除原程序后無法再次燒錄,則表明該電路出廠前未燒錄驅(qū)動程序。此時重新燒錄驅(qū)動程序即可正常使用。
電測試技術(shù)是無損失效分析中最重要的步驟,隨著集成電路的規(guī)模越來越大,利用自動測試設(shè)備(ATE)對集成電路進(jìn)行測試越來越成為失效分析工作的重點(diǎn)。靜電釋放(Electro-Static Discharge, ESD)是造成集成電路失效的主要原因之一[5]。了解ESD機(jī)理并采用合適的方法加以預(yù)防,對提高集成電路可靠性有巨大意義。在該型號八位微控制器的端口內(nèi)部,抗ESD 設(shè)計采用二極管結(jié)構(gòu),其輸入輸出端口如圖4 所示。
圖4 端口內(nèi)部抗ESD 設(shè)計
二極管本身具有單向?qū)ㄐ裕绻虞d在二極管上面的反向電壓超過它的最大承受值,反向電流會急劇加大,二極管會失去單向?qū)щ娦?,即發(fā)生所謂的擊穿[6]。擊穿發(fā)生時,端口對地和對電源二極管特性消失,二極管處于失能狀態(tài),導(dǎo)致電源和地端口ESD 失效, 在端口抗靜電結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)熱點(diǎn),導(dǎo)致NMOS 管燒損,對電路內(nèi)部尤其是臨近端口造成影響。在此狀態(tài)下,該電路的P0.0 端口可能會失效,20 腳VSS與40 腳VCC可能會短接,電路受到不可恢復(fù)的損傷。利用電測試技術(shù),測量失效端口是否對電源地短接,可以為失效分析提供有效依據(jù)。
浪涌通常由自然界雷電、電網(wǎng)過壓、開關(guān)打火、空間靜電、電源系統(tǒng)(尤其是帶有很重的感性負(fù)載)開關(guān)切換時引起的,是一種上升速度高、持續(xù)時間短的尖峰脈沖。浪涌對微電子芯片造成的損壞,輕者干擾芯片正常工作,重者造成芯片永久性損壞。例如感應(yīng)雷(雷電感應(yīng)或感應(yīng)過電壓)在RS-485 傳輸線上引起的瞬變干擾,其能量可在瞬間燒毀連結(jié)傳輸線上的全部器件[7]。
由于電子元器件封裝材料和多層布線結(jié)構(gòu)的不透明性,對于芯片內(nèi)部的觀察很多時候必須依賴于解剖制樣技術(shù)。解剖制樣技術(shù)主要過程包括:打開封裝、去鈍化層,有時候還需要去層間介質(zhì),保留金屬化層及其下方介質(zhì),以及硅材料,然后采用剖切面技術(shù)和染色技術(shù),進(jìn)一步觀察芯片內(nèi)部缺陷[8]。
某失效電路P1.7 端口無法正確輸出用戶原程序所設(shè)計的占空比波形。對其進(jìn)行功能測試,結(jié)果為P1.7 端口不合格,經(jīng)過后續(xù)檢查,X 光、密封性、DPA檢測都合格,開蓋后發(fā)現(xiàn)故障電路芯片表面與P1.7端口相連的驅(qū)動管處有燒毀形貌。開蓋后芯片表面放大形貌如圖5 所示。
圖5 開蓋后芯片表面放大形貌
為做更進(jìn)一步的分析,利用解剖制樣技術(shù)進(jìn)行去層檢查。結(jié)果顯示該驅(qū)動管在芯片有源區(qū)呈現(xiàn)擊穿形貌,如圖6 所示。去層后有源區(qū)層SEM 形貌如圖7 所示。
圖6 去層后有源區(qū)層擊穿部位放大形貌
圖7 去層后有源區(qū)層擊穿部位SEM 形貌
通過顯微鏡觀察芯片表面與P1.7 端口相連的驅(qū)動管Q3,發(fā)現(xiàn)此處有燒毀形貌。去層檢查結(jié)果顯示該驅(qū)動管在芯片有源區(qū)呈現(xiàn)擊穿形貌。出現(xiàn)燒毀形貌是由于故障電路P1.7 端口引入了浪涌,導(dǎo)致芯片內(nèi)部驅(qū)動管被擊穿,引發(fā)失效,最終使得P1.7 端口無法正確輸出用戶原程序所設(shè)計的占空比波形。至此,將故障定位在P1.7 端口由于浪涌引入大電流導(dǎo)致芯片內(nèi)部驅(qū)動管被擊穿導(dǎo)致失效。
在簡要介紹某型號八位微控制器芯片四種失效類型及分析方法的基礎(chǔ)上,將其作為八位微控制器芯片的典型示例,對相關(guān)失效問題展開分析并借助顯微手段輔助取證,精確定位問題所在。所做分析不僅有助于更快速精準(zhǔn)的解決其本身問題,也可為其他同類型器件提供參考。