多通道器件过电应力失效问题分析研究.pdf
《多通道器件过电应力失效问题分析研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多通道器件过电应力失效问题分析研究.pdf(5页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、1引言在集成电路板级应用过程中,当外界电应力超过器件可承受的最大规范条件时,器件会性能减弱甚至损坏。外界电应力主要分为 ESD(Electro-Static阅ischarge)和 EOS(Electrical Overstress)两大类。ESD是瞬间的高电压(大于 1kV)、大电流(1耀10A)效应,能量达到微焦耳量级。而 EOS 通常为长时间的低电压(小于 100V,持续时间 1耀100ms)、电流适中(0.1耀1A)的作用,其持续时间的长短和能量大小决定了对电路施加应力的高低。长时间、大电流的过电应力会产生大量的热量,形成局部高温,造成金属布线融化或氧化层退化1-2。因此,集成电路板级应
2、用设计时应尽量避免过电应力的产生。2问题出现与初步排查在实例中,有 CD54HC245 型八双向总线发送器/接收器在整机试验阶段发生失效。失效发生时间为开机瞬间,失效现象为 B6 端口输出恒高。该产品采用 DIP20 封装,电源、地和控制端外含有 8 路具有相同结构的总线发送器/接收器,用户使用其中 7路,未被使用的 A7、B7 端口均接地。失效电路的开多通道器件过电应力失效问题分析研究金元石(中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳 110000)摘要:过电应力失效作为集成电路应用中最常见的失效模式,是导致器件现场失效的重要原因,为进一步克服这一失效因素,提高成品率,以某型号器件的具体失效案
3、例为例,从产品失效机理出发展开研究,提出一种针对多通道结构器件的过电应力失效分析方法。首先逐一排查 ESD 脉冲、系统异常脉冲和开关机浪涌电流等失效因素,根据失效因素进行仿真试验,使产品质量问题复现,定位产品失效原因,最终采用应用设计优化的方式彻底解决此类结构的过电应力失效问题。该分析方法有利于增强集成电路器件的质量保障,对于不同结构的集成电路也有一定的引申参考价值。关键词:过电应力;ESD 失效;失效分析;多通道结构DOI:10.3969/j.issn.1002-2279.2023.05.004中图分类号:TN406文献标识码:A文章编号:1002-2279(2023)05-0013-05A
4、nalysis and Research on Electrical Overstress Failure ofMulti-Channel DevicesJIN Yuanshi(The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110000,China)Abstract:Electrical overstress failure,as the most common failure mode in integrated circuit appli-cations,is an importa
5、nt cause of device field failure.In order to further overcome this failure factor andimprove the yield,taking a specific failure case of a certain type of device as an example,the failuremechanism of the product is studied,and a failure analysis method for multi-channel structure devices isproposed.
6、Firstly,the failure factors such as ESD pulse,system abnormal pulse and on-off surge currentare investigated one by one,and the simulation experiment is carried out according to the failure factors,so that the product quality problem can be reproduced and the failure reason of the product can beloca
7、ted.Finally,the electrical overstress failure problem of this kind of structure can be completely solvedby applying design optimization.The analysis method is conducive to enhancing the quality assurance ofintegrated circuit devices,and has certain extended reference value for integrated circuits wi
8、th differentstructures.Key words:Electrical overstress;ESD failure;Failure analysis;Multi-channel structure作者简介:金元石(1982),男,辽宁省辽阳市人,工程师,主研方向:计算机科学与技术。收稿日期:2023-02-17微处理机MICROPROCESSORS第 5 期2023 年 10 月No.5Oct.,2023微处理机2023 年盖照片如图 员 所示。由图中可见,地线分支区域出现两处较为明显的烧损点。经分析,位于左上方的失效点为 A6寅B6方向上 GND 总线与 A6 引脚间的金属
9、布线地线分支烧损,导致电流无泄放通路,因此 B6 端口输出恒高,电路功能失效。同时,右下方的失效点为 GND总线与 B7 引脚间的金属布线地线分支烧损,由于该金属地线是多个并联 NMOS 管的地线之一,烧损点未完全破坏该路输出功能,功能测试正常。两处烧损点均为 GND PAD 临近位置,故障定位于器件地线支路烧毁。3失效分析3.1失效原因排查失效电路为采用 CMOS 工艺制造的单芯片电路,对静电和异常电应力干扰较为敏感。器件受到异常电应力,即 ESD 脉冲3、系统异常脉冲4和开关机浪涌电流5等,都可能对器件造成冲击损坏器件。3.1.1ESD 脉冲集成电路器件在运输、装配过程中可能由于HBM(H
10、uman Body Model)、MM(Machine Model)、CDM(Charged Device Model)等静电类型造成器件损伤、烧毁。HBM 为人体静电模型,器件搬运过程中带电人体接触器件可能造成过电应力进入器件;MM 为机器静电模型,装配、运输过程中可能在器件内部积累电荷,系统通电瞬间形成泄放通路,器件内部积累的电荷瞬间对地泄放形成的瞬时大电流可能造成器件烧毁;CDM 为充电模型,器件运输、装配过程中可能因壳体摩擦使壳体带静电,系统通电瞬间形成泄放通路,壳体将通过芯片和引出端对地放电。ESD 失效发生时,通常因为瞬时热量集中,PN结被熔毁,造成产品漏电。在产品 ESD 结构设
11、计未出现问题的情况下,不会出现金属熔断的情况。3.1.2系统异常脉冲根据失效电路使用环境,在 8 路双向总线发送器/接收器中,用户使用其中 7 路,未使用的 A7、B7端口均接地。当外围环境电压出现波动时,接地端口与电源端之间可能出现负向压差,电流会由接地端口倒灌入器件。电流泄放路径上金属布线较细时,确实可能由于热集中造成金属熔毁。3.1.3开关机浪涌电流大型设备都具有大感性和容性负载。设备开关机时,由于感性和容性负载的瞬时充放电过程会产生较大的干扰尖脉冲,高压干扰电压会从公共的地线串扰到整机系统中,若地线隔离不好或接地方式不合适,都会导致尖脉冲高压对敏感元器件形成干扰,严重时会烧毁器件。此类
12、现象可通过对工作环境进行监测排查。本电路通过对试验板和试验环境进行排查,未发现此类过电应力。3.2仿真研究失效电路损伤位置为地线分支,由失效现象分析,这是由于地端与电源端产生负向压差,倒灌入地端的电流在金属连线上形成热集中,造成金属连线烧损所导致的。针对失效现象,对电路 8 路通道中的一路通道进行仿真试验。图 2 为 A6、B6 端口电路图。图中标识 A 为芯片试验后金属连线熔断点。经过仿真,与 A 点有关的两路晶体管 PM0、NM0 和 PM1、NM1 在上电时电流流向如图 2 中 I1、I2所示。图 3 为仿真波形图,从上至下依次为电源电压(VDD)、第一路两个晶体管的漏极电流(NM0.d
13、、PM0.d)、第二路两个晶体管的漏极电流(NM1.d、PM1.d)等五种情况。其中,电源电压激励先为零电压,再转为负电压情况。从图中可以看到,当电源电压为负电压时,第一路存在大约为 199mA 的电流I1,而第二路存在约为 414mA 的电流 I2。从版图上看,连接两个 NMOS 管(NM0 和 NM1)的金属线线宽为 6滋m,而流过该金属线的电流约为 I1+I2=613mA。图 1故障器件开盖分析(b)失效点区域放大图及电流走向分析GNDPIN11PIN12PIN8PIN11大电流GND(a)失效点在管芯中的位置窑14窑5 期正常情况下,线宽为 6滋m 的金属布线只能允许 6mA的电流流过
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 通道 器件 过电 应力 失效 问题 分析研究