羅 博，侯軍濤，李 杰，羅瑜林，仇 傲

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 河北 三河 065201)

0 引 言

隨鉆測井是在鉆井的同時測量取得地層信息，相比于電纜測井，能夠在剛鉆開的地層中取得測量數(shù)據(jù)，此時地層狀況更接近原始狀況，且受鉆井液影響較小，能夠更加真實地得到地層信息，所以隨鉆儀器測井?dāng)?shù)據(jù)更有研究價值[1-3]。隨鉆四極子聲波測井儀是中海油服自研在用的最先進的隨鉆聲波測井儀器，該儀器可以獲取地層中的縱波、橫波及斯通利波慢度數(shù)據(jù)。針對不同環(huán)境和測試對象，該儀器有不同的工作模式。信號采集電路是取得測量數(shù)據(jù)最關(guān)鍵的部分，信號接收電路是其第一級，接收來自接收換能器的微弱信號，并將其放大后，輸出到下一級處理。信號接收電路的可靠性是儀器能否正常工作的關(guān)鍵。實際工作中發(fā)現(xiàn)，接收換能器焊接后，有較大比例信號采集板不能正常工作，無輸出信號。為此，對焊接時失效的信號接收電路運放芯片進行了徹底檢測，確定了故障原因，并提出了解決方案。

1 隨鉆聲波信號接收電路故障描述

信號接收電路中使用的聲波接收換能器是一種壓電式傳感器，兩個壓電陶瓷片和3個金屬片交替組合，其壓電陶瓷會在受外力時在其表面產(chǎn)生電荷，電荷量與聲波信號的頻率和幅度具有很大相關(guān)性[4]。信號接收電路如圖1所示，選用TI 公司生產(chǎn)的一款低噪聲、低功耗、高精度的CMOS 運算放大器，接收換能器的輸出直接焊接在接收電路板上，焊接前，信號接收電路輸入接信號發(fā)生器，確保全部模塊正常工作。焊接完成后，發(fā)現(xiàn)運放芯片損壞率較高，部分信號接收電路板不能正常工作，無輸出信號。

圖1 信號接收電路

2 芯片檢測

為了提高儀器信號采集電路工作穩(wěn)定性，首先必須確定芯片失效原因，對焊接后失效的芯片和正常芯片分別進行檢測，進行對比，然后提出解決方案。

2.1 X射線檢查

引線鍵合(Wire Bonding)是芯片封裝中關(guān)鍵的工藝技術(shù)之一，芯片引腳與內(nèi)部功能模塊通過金屬引線形成電氣連接[5]。根據(jù)國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)，大部分芯片連接是通過引線鍵合。引線鍵合質(zhì)量好壞對芯片能否長期穩(wěn)定工作至關(guān)重要，如果引線鍵合中引線被腐蝕、工藝缺陷、焊盤污染等都會導(dǎo)致引線質(zhì)量問題，進而產(chǎn)生引線斷開、脫落等故障，這些問題會直接導(dǎo)致芯片部分或全部功能失效[6-7]。

利用X射線設(shè)備對這批失效芯片進行掃描，圖2為其中一個失效芯片X射線掃描圖，所有失效芯片鍵合引線狀態(tài)良好，均未見鍵合引線斷開或脫落。因此，排除引線質(zhì)量不合格可能。

圖2 失效芯片X射線掃描圖

2.2 電特性測試

為確定失效芯片的失效電特征，確定失效模式，利用圖示儀對失效芯片和正常芯片引腳進行I-V特性曲線對比檢測，發(fā)現(xiàn)失效芯片5腳(V+)和3腳(-IN)的I-V特性曲線呈現(xiàn)短路特性，與正常芯片存在明顯差異。失效芯片引腳I-V特性曲線如圖3所示。

圖3 失效芯片5腳(V+)和3腳(-IN)的I-V特性曲線

2.3 內(nèi)部目檢

為了檢查失效芯片內(nèi)部是否存在與失效模式相關(guān)的結(jié)構(gòu)異?；蛉毕?，確定失效位置，采用化學(xué)方法對芯片進行開封，展現(xiàn)出芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)全貌，如圖4所示。芯片開封后觀察內(nèi)部全貌發(fā)現(xiàn)，失效芯片3腳(-IN)端口內(nèi)鍵合點相連金屬化熔融燒毀，如圖5所示。初步確定失效點位置。

圖4 芯片內(nèi)部全貌

圖5 金屬化熔融燒毀位置

2.4 失效點定位

芯片內(nèi)部阻抗異常、漏電路徑分析常采用OBIRCH芯片背面成像技術(shù)。該技術(shù)是基于熱效應(yīng)的靜態(tài)激光激發(fā)技術(shù)，能有效地檢測短路或漏電。OBIRCH 定位出現(xiàn)的點一般是芯片最初的短路位置。另外，可以調(diào)節(jié)激光功率，通過芯片襯底的傳播后其成像質(zhì)量也好于光發(fā)射顯微鏡成像[8]，所以，該技術(shù)可以精確定位芯片故障位置。運用OBIRCH技術(shù)，利用激光掃描顯微鏡對該批失效芯片進行觀察分析，經(jīng)過激光發(fā)熱后，阻抗異常的地方可以被儀器檢測到，且被標(biāo)亮，這樣可以精確定位芯片故障位置。

對失效芯片的5腳(V+)和3腳(-IN)之間施加電壓0.03 V，芯片表面可見阻抗變化異常點，位于芯片3腳端口鍵合點附近，如圖6中綠色點位置所示。

圖6 OBIRCH定位結(jié)果

2.5 電子顯微鏡檢查(SEM)

為了進一步觀察失效芯片的失效形貌，確定失效原因，采用化學(xué)方法對失效芯片進行去層處理，展現(xiàn)芯片有源區(qū)形貌,使用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electronmicroscope, SEM)對失效芯片進行檢查。SEM是將電子槍發(fā)射的電子通過高壓加速，經(jīng)過多級電磁透鏡匯集成細(xì)小的聚焦電子束，對測試樣品表面進行逐點掃描，激發(fā)測試樣品釋放電子,接收到這些電子后進行顯示成像,可以達到獲得測試樣品表面形貌和化學(xué)成分等相關(guān)信息[9-10]。使用SEM觀察失效芯片，發(fā)現(xiàn)失效芯片有源區(qū)晶體管熔融燒毀，燒毀區(qū)域位置與阻抗異常點吻合，如圖7所示。

圖7 晶體管熔融燒毀SEM全貌

2.6 芯片檢測結(jié)論分析

失效芯片信號輸入端(3腳)與電源引腳之間的I-V特性曲線存在短路特性，與正常芯片I-V特性存在明顯差異。開封后可見3腳(-IN)引腳內(nèi)鍵合點相連的金屬化熔融布線燒毀，其余區(qū)域未見過熱、過電損傷形貌。失效點可定位為3腳引入異常電壓擊穿有源晶體管形成異常的漏電通道，后續(xù)加電過程中流經(jīng)漏電通道的大電流使金屬化布線熔融燒毀，且該異常電壓能量遠大于靜電。

3 芯片失效原因分析

該運放芯片具有ESD保護功能，焊接過程中有充分的防靜電措施，且異常電壓能量遠大于靜電，因此，可初步排除靜電原因。

隨鉆四極子聲波測井儀采集電路壓電陶瓷體積較大，長時間放置，電荷不斷在兩極累積，且移動時不可避免受到外力作用；焊錫溫度在350 ℃以上，壓電陶瓷受熱膨脹，繼續(xù)產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致壓電陶瓷帶電量過高，焊接時與運放3腳連接，過高電壓導(dǎo)致芯片3腳引入異常電壓，損壞芯片。

為最終確認(rèn)芯片失效原因，需測量壓電陶瓷焊接前正極電特性。先對接收換能器兩極放電，放置一段時間后，用示波器測得其電壓信號如圖8所示。可見，其信號幅度在17 V以上，半衰期為3 ms，遠超過該運放芯片允許輸入電壓范圍。焊接時，因為受熱膨脹形變，其正極電壓會更高。所以，可以確定，焊接時壓電陶瓷電壓過高，導(dǎo)致其在焊接時損壞運放芯片。

圖8 接收換能器放置一天后正極電壓信號

4 解決方案

壓電陶瓷即便受到微小外力，也會積累電荷。所以，很難保證壓電陶瓷在放置時不積累電荷。解決方案為焊接前，將接收換能器兩極放電；焊接時，將兩極與地短接，確保接收換能器隨時將電荷釋放，焊接時兩極無電荷。

第二批信號接收電路板采用此方式焊接接收換能器，焊接完成后，信號接收電路全部正常工作，無芯片失效。

5 結(jié)束語

本文對焊接時失效的隨鉆聲波信號接收電路運放芯片進行了徹底的檢測，并測試了接收換能器放置一段時間后的電特性，最終確定了芯片失效原因，并提出解決方案，大大提高了隨鉆聲波測井儀信號接收電路的可靠性，減少了芯片損耗，節(jié)約了物料成本和時間。