一种高压驱动集成电路的失效机理分析

白洁　赵冰清　鲁要强　耿晓瑞

摘 要：针对一种高压驱动芯片的失效问题，本文分析了其失效机理，主要通过电性能分析、光学显微镜分析、透射射线分析和开盖检查等分析手段，定位了该集成电路的失效点和失效机理，并通过复现试验确认了驱动芯片失效的原因。输入端的高能量外部过电应力（EOS）过流与过热，使晶圆内部线路发生熔化，造成驱动芯片的输入端和电源正极短路，引发器件失效。

关键词：驱动芯片;EOS;失效

中图分类号：TN401 文献标识码：A 文章编号：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公司生产的一种高压驱动集成电路，该款芯片为双列直插18脚封装。工作电压最高可达50V，单路电流为500mA，功耗为1.47W。该芯片广泛应用于各类加电产品的显示驱动电路中，尤其是需要驱动高电压的LED时，它通常可以和ULN2003芯片配合组成LED驱动放大电路，从而很好地解决普通MCU驱动能力偏弱的问题[1，2]。

本文结合KID65783AP芯片失效导致空调显示板显示异常的1个实际案例，浅谈该类芯片失效分析的基本步骤和常见方法。在该案例中，笔者按照失效现场样失效数据的收集、电测性能、非破坏性分析和破坏性分析等步驟，最终确认了芯片失效的原因。其间利用相关试验复现失效现象，最终提出提升产品可靠性的优化方案，从根本上解决该问题。该案例可以为其他家电产品生产制造期间进行失效排查和预防整改提供参考，具有较强的现实指导意义。

1 事件背景

在1周时间内，空调总装厂生产线连续出现15例相同故障：空调整机运行测试过程期间，显示器显示内容错乱。经详细排查，笔者确认该故障是由空调显示板上使用的KID65783AP驱动芯片失效导致的，更换该芯片后，装机测试，全部恢复正常。为弄清该芯片大量失效的原因，并进行有效的失效预防和质量整改，本文详细分析和验证该芯片失效。

2 失效机理分析

2.1 失效现场数据的收集

个别空调发生故障时，生产线体比较分散，但故障现象都为显示异常。更换驱动芯片后，全部恢复正常，未有其他元器件同步损坏。如表1所示，从现场收集的信息来看，初步排除生产过程问题，基本锁定驱动芯片异常。

2.2 电测和失效模式的确定

本研究使用晶体管特性图示仪对失效芯片各I/O接口和VCC、GND之间的I-V特性曲线进行测试，对比正常样品的特性曲线。测试结果表明，所有失效芯片的PIN1和VCC之间存在短路（该芯片PIN1～PIN8脚为信号输入引脚，PIN11～PIN18脚为输出引脚，PIN9和PIN10脚分别为VCC和GND），由此可以确定芯片的失效模式为输入引脚对电源脚短路。

2.3 芯片外观和PCBA焊接情况检查

利用光学显微镜全面检查失效样品外观，未发现外观有可见的破损、开裂等机械损伤，机械应力造成损伤的可能性被排除;对芯片焊接引脚部位进行金相切片分析，结果表明，芯片和主板焊盘焊接情况良好，没有焊接裂缝、气孔、杂物等不良焊接现象，说明芯片短路并非焊接或装配过程异常导致[3]。

2.4 X射线透视检查

本研究对失效的所有样品均进行了X-RAY内部结构检查，如图1所示。检查结果显示，失效样品的内部支架完整，绑定线排列整齐无多线、变形或者交叉的异常情况，晶圆和底板焊接无气泡空洞等异常现象。

2.5 开封检查

上文通过非破坏性分析并未观察到芯片失效的具体原因，下一步开始进行破坏性分析，即对芯片进行开封处理，利用化学湿法腐蚀去除失效芯片的外部黑色树脂封装，检查内部的晶圆情况，如图2所示。完成开封后，使用超景深显微镜对芯片内部的晶圆进行观察。经过观察对比，笔者发现，晶圆PAD1上（对应芯片PIN1）存在明显的过电损伤痕迹，同时PAD1和VCC之间区域存在一条比较规则的连接线，对比正常晶圆版图，该位置并无此连接线。

对照该芯片晶圆的电路原理图，笔者确认该损伤点刚好位于芯片第1输入通道输入端（对应芯片第1脚）与电源端之间的保护二极管位置。这和电测的结果完全吻合，由此可以判断，该处出现的损伤点以及两个PAD之间的不明连接线是导致PIN1和VCC之间短路的直接原因。

2.6 切片分析

为进一步确认PAD1和VCC之间的不明线路产生的原因，下一步对不良品晶圆失效点位置进行切片分析，利用离子束切割技术对晶圆上多余连接线位置进行了纵向切割如图3所示。为了避免离子束切割对样品造成损伤，提前在晶圆钝化层之上又覆盖了一层PT保护膜。

接着，对完成切割后的样品进行光学检查，从切面的图像可以观察到，失效样品的钝化层和硅衬底之间比正常样品多出了一条清晰的金属导电线路。该线路刚好把信号输入端[IIN]和[VCC]的PDA接通，导致外部引脚的短路。

最后，对该处金属导电线路进行进一步的成分分析，结果表明，导电线路材质为金属铝，刚好和晶圆内部用于制作PAD的金属材质相同。由此可以推断，芯片发生短路的原因为EOS失效。失效机理为芯片工作期间，电压波动导致芯片工作电流急剧增大，发热量随之增加，随着热量的累积，晶圆内部金属层最终发生热熔现象。随着熔化金属的蔓延，[IIN]和[VCC]之间最终形成一条导电通路，造成芯片PN1和VCC之间的短路失效。

2.7 试验验证

经过一系列分析，笔者基本锁定了芯片失效的原因，即EOS导致的芯片内部过流引起局部急剧发热，造成晶圆内部PAD熔化，熔化后的金属铝形成了一条连接信号输入脚和芯片电源脚的导电通路，最终引发短路现象。

为了对以上分析和推断进行验证，本研究又安排了模拟复现试验：取正常的空调主板在常温下进行通电，设置4组不同的驱动电压和芯片电源电压，使芯片内部达到过流条件。试验时间为1min，之后切换下一组电压。每组电压施加完成后，需测试芯片输入脚和VCC中间的阻抗值（正常样品的阻抗约为7.7MΩ）。经过一系列的测试和统计，最终得出以下试验结果，如表2所示。

从试验统计结果来看，在芯片输入信号电压和芯片供电电压超标的情况下，试验样品最终都发生了短路现象。为确定试验失效样品和生产线失效样品失效机理是否一致，本研究對试验失效的样品同样进行了开封处理，如图4所示。

在光学显微镜下仔细观察内部晶圆，笔者发现，PAD1和VCC之间有非常明显的损伤点，而且其中1个试验样品的相同位置也出现了和产线下线样品相似的导电线路。试验模拟和验证分析的结果表明前述推论完全成立。

3 整改方案

经过详细分析并且加以模拟试验验证，笔者最终锁定芯片失效的原因为EOS导致的芯片内部过流损伤。针对该种情况，本研究分别从生产过程隐患点排查和芯片本身抗EOS损伤的能力两方面进行了整改，双管齐下。

一是对生产线空调测试电源和接线端子全面排查，对电压存在波动的稳压电源进行更换，对存在接触不良的接线端子进行报废换新。二是经过对比观察发现，芯片PN1和VCC之间的电气间隙相比其他输入脚明显偏小，属于晶圆线路设计问题。相关情况反馈到芯片生产厂家后，厂家已对晶圆内部线路进行了优化设计，增加各输入脚和VCC之间的PDA距离，增大电气间隙。优化设计前后晶圆对比如图5所示。

4 结论

本文针对空调显示电路中的高压驱动芯片功能失效问题进行了分析和验证，结果表明，EOS是导致芯片失效的原因。同时，针对该驱动芯片PNI1和VCC电气间隙过小的问题，笔者从产线测试环境和芯片设计两方面提出了改进方案。改进方案实施后，未再出现批量的失效，表明芯片失效原因的分析是正确的，制定的整改方案也是有效的。

参考文献：

[1]恩云飞.电子元器件失效分析技术[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2]杨建军.失效分析与案例[M].北京：机械工业出版社，2018.

[3]陶春虎.失效分析新技术[M].北京：国防工业出版社，2011.