某A/D转换器老化过程中端口异常失效分析

王媛，白璐，詹勇，张盼盼

（中国电子科技集团第24研究所，重庆 400060）

某A/D转换器老化过程中端口异常失效分析

王媛，白璐，詹勇，张盼盼

（中国电子科技集团第24研究所，重庆 400060）

近年来，关于电子元器件的失效分析技术对于产品的生产和使用具有越来越重要的意义。作为模拟IC设计、生产单位，通过试验验证和分析找到失效原因，发现产品设计、测试、生产过程中存在的问题，以不断改进产品设计和生产水平，提高产品的可靠性。本文通过对某A/D转换器老化后端口异常进行分析，发现该产品在老化试验条件的选择存在问题，文中不仅给出失效原因，同时提出了改进措施。此次失效分析表明产品老化试验可靠性的评价以及风险评估的重要性。

A/D转换器；老化；金铝键合；失效分析

概述

某型A/D转换器于2012年完成设计定型后开始首批供货，目前仅供货一个批次。

2016年7月，某生产批电路按A/D转换器详细规范进行100 %筛选，筛选过程中，该批电路老化前测试合格153只，随后将合格的153只电路投入老化（TA=125 ℃，240 h），老化后常温测试43只不合格，不合格率为28.1 %，超PDA要求。43只不合格的电路中，3只电路动态参数临界，2只电路积分非线性误差不合格，属于正常的筛选淘汰。其他38只电路中有28只电路失效现象表现为数字端口特性异常，10只电路失效现象表现为功能异常，异常比例较大。因此对38只数字端口特性异常或功能异常的电路开展的详细的失效分析。

1 失效原因分析

1．1 故障定位

1）外观检查

失效电路外观检查无异常。

2）开帽镜检

对失效电路进行开帽镜检，电路内部键合丝及芯片表面均无异常。

3）老化系统、测试系统检查

对A/D转换器老化系统及测试系统进行检查，未发现异常。

4）IO端口特性曲线扫描

在28只数字端口特性异常的电路中抽取3只电路进行IO端口特性扫描。扫描结果显示：3只电路数字输出端口IO扫描不合格，选取其中一只电路（81#）的扫描特性曲线，并与合格电路进行对比，如图1所示。

在10只功能异常的电路中选取3只电路进行IO端口特性扫描。扫描结果显示：3只功能异常的电路模拟输出端口IO扫描不合格，选取其中一只电路（132#）的扫描曲线，并与合格电路进行对比，如图2所示。

对比分析合格电路与不合格电路的I/O端口特性曲线发现，不合格电路的模拟、数字端口，呈高阻或开路特性，而合格电路的端口特性曲线正常。

1．2 失效原因分析

图1 合格电路与不合格电路（81#）数字IO端口特性曲线

1）功能简介

该型A/D转换器采用0.35 mm CMOS工艺制作的半导体集成电路。内含高精度基准、时钟稳定电路、流水线信号处理电路、输出数字校正电路、数字输出接口电路等单元，专为高频、宽动态范围信号数字化处理而设计，模拟输入必须由一个差分输入信号驱动，模拟输入范围通过外部PGA控制进行设置。数字输出具有LVDS、全速CMOS与半速CMOS三种模式。

图2 合格电路与不合格电路（132#）模拟端口特性曲线

图3 某A/D转换器原理图

工作原理如图3所示，模拟输入信号通过采样/保持电路进入6+5+5+5+4五级流水线结构，每级流水线依次对输入电压进行量化，产生多级输出数据，再通过数字校正、输出驱动电路，最终生成16位输出数据，实现从模拟信号到16位数字信号的转换。

2）失效原因分析

A/D转换器电路端口特性异常的原因，可能由三种情况引起：设计、工艺缺陷；外部电应力冲击引起的器件损伤；键合丝接触不良。图4为端口异常的故障树，下面对这三种原因进行排查分析。

①设计、工艺缺陷排查

某型A/D转换器采用0.35 mm CMOS工艺制作的半导体集成电路，耐压大于5.5 V，电源电压采用3.3 V，正常加电的情况下，余量较大，不会击穿电路。经查，该生产批次电路的PCM参数满足工艺规范要求，且封装考核1批，投入30只电路进行筛选摸底，全部合格。因此，可排除设计、工艺缺陷引起的电路端口特性异常。

图4 电路端口特性异常故障树

表1 过电试验结果

表2 静电试验结果

②外部电应力

在该批电路老化前测试合格至老化后测试的过程中，如果引入过电或者静电，均有可能导致A/D转换器端口特性异常。为排除或验证外部电应力导致失效原因，对电路进行了以下分析验证。

A）过电试验

在正常情况下，老化板电源电压为3.3 V，内部器件正常耐压为5.5 V，当电源电压超过5.5 V时，可能会对器件造成击穿或者潜在的损伤。针对该原因，我们分别选取3只电路放入老化板，在老化板电源端施加6 V、7 V、8 V的脉冲电压，随后取出电路对其进行测试，具体结果如表1所示。

对过电试验后的不合格的3只电路进行IO端口特性曲线扫描，其端口特性曲线正常。结合测试结果分析，可以排除在老化过程中因过电导致电路端口特性异常的情况。

B）ESDS试验

如果A/D转换器遭受外部异常静电应力时，可能会导致其端口特性异常。因此为确认是否为静电导致本批产品失效，分别选取3只电路进行200 V、250 V、300 V的机械静电模式的静电试验，试验后对电路进行测试，并扫描其IO端口曲线，具体试验结果如表2所示。

图5为200 V、250 V、300 V机械静电试验后A/D转换器的IO端口曲线。从曲线可以看出，200 V机械静电试验后，试验电路的模拟输出端口短路；合格电路的数字输出端口的导通电压大于0.4 V，在进行250 V，300 V静电试验后，导通电压分别减小为0.3～0.4 V，0.2～0.3 V，可以表明静电会对电路的输出端口造成一定的损伤。依据静电失效的机理，存在过压将MOS器件的栅源击穿或过流将MOS器件漏源击穿形成短路。通过以上分析，静电试验结果与失效电路端口开路或者高阻的现象不符，可以排除静电原因导致本次失效。

③键合丝接触不良

图5 机械静电试验前后电路IO端口特性曲线

A/D转换器键合丝接触不良，即芯片上键合点、引线、管壳之间连接异常，会引入较大的接触电阻，甚至开路。若A/D转换器的模拟输入、数字输入、数字输出端开路或者是电阻过大，在测试时会表现出数字输出端口特性异常、动态参数差、甚至功能异常的现象。该失效机理符合本批次失效电路的失效现象。

为了对该批电路的键合丝进行故障排查，选取3只老化后不合格电路（34#、113#、64#）按GJB 548B方法2011.1（30 um金丝，3.0 gf）进行破坏性键合拉力试验，试验结果如图6所示。根据试验结果可以看出，3只电路的破坏性键合拉力试验均不合格，最小拉力值仅为0.19 gf，且失效模式为C模式。在该试验中，仅有113#电路的7个引脚的键合丝拉力值满足规范要求，其余引脚及34#、64#电路所有的引脚键合丝均不合格。

图6 老化后不合格电路破坏性键合拉力试验结果

综上，不排除键合丝接触不良导致电路端口特性异常。

3）键合丝接触不良原因排查

抽取两只老化前不合格电路进行破坏性建合拉力试验，试验结果合格，如图7所示。因此可以排除是工艺原因导致键合丝接触不良，可以判定该批电路是在老化过程中导致键合丝接触不良。下面对老化过程进行分析、排查。

①老化箱

经查，在该批产品老化前后一个月，采用相同老化箱进行老化的产品在后续的筛选、检验中均未发生异常。因此可以排除老化箱异常的原因。

②老化板

对老化板进行检查，未发现电源、地接触不良、老化板上夹具接触不良等异常。且小样摸底电路均未反馈异常，因此，可排除老化板异常原因。

③老化温度

因电路采用的是金铝键合，当温度达到150 ℃即有可能发生金铝反应。该A/D转换器正常工作时功耗约为1.3 W，根据对A/D转换器的热成像摸底结果可知其温升约为38 ℃。为了实际验证老化时电路的温度，我们选取同批次电路进行老化试验（125 ℃、24 h），试验过程中用点温计监测电路管壳的温度，电路管壳的温度达154.3 ℃，可以说明其芯片内部的温度将更高。

图7 老化前不合格电路破坏性键合拉力试验结果

因此不排除在老化过程中高温导致金铝反应发生，使得电路端口特性异常。

2 失效机理

该A/D转换器采用金铝键合系统，由于金、铝两者的化学势不同，Au-Al键合系统经过高温贮存后，会产生五种金属间化合物[1]：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl2、AuAl，由于它们的晶格常数、膨胀系数不同，且电导率低，因此当温度变化时，键合点会产生很大的内应力，从而导致接触电阻增大，甚至导致性能退化或者开路。另外金铝原子的扩散系数不同，当在高温时，Au、Al原子会相互扩散，且Au比Al扩散的快，长期高温下会产生柯肯德尔空洞[2]，逐渐形成键合点界面或者周边空隙，引起接触不良或引线脱落，导致开路失效。

该批产品在老化（125 ℃、240 h）过程中，因产品本身功耗大，芯片产生较高的温度，使金铝反应的发生，从而导致键合丝接触不良，使电路端口特性异常[3]。

3 纠正措施

1）该生产批电路在筛选过程中PDA超标，存在批次性隐患，本批产品入不合格品库；

2）该A/D转换器功耗1.3 W，温升达38 ℃，针对后续老化温度，将老化温度TA=125 ℃改为TC=125 ℃，其他类似电路参照执行。

3）针对老化超温导致电路失效的问题，做以下处理：对新产品，在产品规范审核过程中，增加产品老化可靠性评价；针对现有产品，生产前，全部进行产品老化风险评估；强制推行产品老化板过压、过流保护措施。以避免类似问题发生。

4 结论

1）在筛验老化试验过程中，老化试验条件为125 ℃、240 h，A/D转换器温升约为38 ℃，使得芯片内部温度超过150 ℃，长时间的高温导致其发生金铝反应，使得接触电阻增大或者开路，从而导致该A/D转换器的键合丝接触不良，引起电路端口异常，造成该批电路失效。

2）本次老化超温导致电路失效的问题，说明产品老化试验的可靠性评价和风险评估是非常重要的，通过此措施，以避免类似问题再次发生。

[1]畅兴平. 混合集成电路中金铝键合可靠性的实验设计[J]. 襄樊学院学报. 2011, 32(8): 36-40.

[2]刘建, 严钦云, 恩云飞, 等. 金铝键合寿命评价方法研究[J]. 可靠性物理与失效分析技术. 2007, 25(3): 4-6.

[3]陈星弼，张庆中，陈勇. 微电子器件 [M]. 北京：电子工业出版社，2011.

The Failure Analysis on A Type of A/D Converter

WANG Yuan, BAI Lu, ZHAN Yong, ZHANG Pan-pan
(No.24 Research Institute of CETC, Chongqing, 400060)

In recent years, the technology about “Failure Analysis” is more and more important for the production and use of products. As a special design and manufacture institute, the cause of failure is found according to the experimental verification and analysis. The defects exist in design、testing、manufacturing must be found in order to improve the design and manufacturing level and raise the reliability of products. This paper is about the analysis of a type of A/D converter which is failure in the port exception when tested after the burning-in test, the problem which was found through failure analysis aims at the choosing for the condition of the burning-in test. The paper presents the cause of failure and gives the suggestions. The conclusions are instructive to the importance of reliability and risk evaluation of the burning-in test for the similar products.

A/D converter; burning-in test; Au-Al bond; failure analysis

TN306

A

1004-7204(2017)04-0039-06

王 媛：中国电子科技集团第24研究所，第二事业部，助理工程师，研究方向：从事电子元器件方面的失效分析以及IC可靠性设计工作。

白 璐：中国电子科技集团第24研究所，第二事业部，高工，研究方向：从事电子元器件方面的失效分析以及IC可靠性设计工作。

詹 勇：中国电子科技集团第24研究所，第二事业部，工程师，研究方向：IC设计。

张盼盼：中国电子科技集团第24研究所，第二事业部，助理工程师，研究方向：IC设计。