某單片微波集成電路漏電問題分析

錢雨鑫 ， 湯仕暉 ， 李進(jìn)

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610 2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江寧波 315040)

0 引言

單片微波集成電路 (MMIC：Monolithic Microwave Integrated Circuit)已成為當(dāng)前發(fā)展各種高科技裝備的重要支柱，并廣泛地應(yīng)用于各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)和陸?？栈母鞣N先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá) (特別是機(jī)載和星載雷達(dá))中；在民用商業(yè)的移動電話、無線通信、個人衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收和毫米波自動防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域也已形成了正在飛速發(fā)展的巨大市場。隨著應(yīng)用范圍越加廣泛，對于該類型器件的質(zhì)量可靠性也提出了更高的要求。

1 案例分析

樣品為2路放大器MMIC，共有3只失效樣品，編號為：F1#～F3#；良品4只，編號G1#～G4#。根據(jù)失效信息，失效樣品在客戶端使用時出現(xiàn)不良現(xiàn)象，裝機(jī)時間為17個月，失效表現(xiàn)為產(chǎn)品上光機(jī)頻響不良，失效比例約為4/90。樣品的引腳定義度如圖1所示。

圖1 樣品的引腳定義圖

2 分析過程

2.1 外觀檢查

對樣品進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)失效樣品F1#～F3#為拆機(jī)件，引腳殘留焊料，但表面未見破損等明顯的異常形貌。樣品的典型外觀照片如圖2-9所示。

圖2 F1#正面形貌

圖3 F1#背面形貌

圖4 F2#正面形貌

圖5 F2#背面形貌

圖6 F3#正面形貌

圖7 F3#背面形貌

圖8 G1#正面形貌

圖9 G1#背面形貌

2.2 X-ray測試

對樣品進(jìn)行X-ray檢測，未見明顯的異常，樣品典型的X-ray形貌如圖10-17所示。

圖10 F1#的X-ray形貌

圖11 F1#側(cè)面X-ray形貌

圖12 F2#的X-ray形貌

圖13 F2#側(cè)面X-ray形貌

圖14 F3#的X-ray形貌

圖15 F3#側(cè)面X-ray形貌

圖16 G1#的X-ray形貌

圖17 G1#側(cè)面X-ray形貌

2.3 I-V特性曲線測試

為了確定失效樣品的失效特性，對樣品進(jìn)行I-V特性曲線測試，結(jié)果顯示：F1#的PIN1-PIN8、PIN4-PIN5， F2#的PIN4-PIN5， F3#的PIN4-PIN5相較于良品存在漏電現(xiàn)象。對失效樣品進(jìn)行105℃、12 h的烘烤，未見其I-V特性曲線有明顯的變化。樣品的典型測試結(jié)果如圖18-25所示。

圖18 F1#的PIN1/PIN8的I-V特性曲線

圖19 F1#的PIN4/PIN5的I-V特性曲線

圖20 F2#的PIN1/PIN8的I-V特性曲線

圖21 F2#的PIN4/PIN5的I-V特性曲線

圖22 F3#的PIN1/PIN8的I-V特性曲線

圖23 F3#的PIN4/PIN5的I-V特性曲線

圖24 G1#的PIN1/PIN8的I-V特性曲線

圖25 G1#的PIN4/PIN5的I-V特性曲線

2.4 聲學(xué)掃描檢查

為了檢查樣品不同材料界面的粘接情況，利用掃描聲學(xué)顯微鏡 (SAM：Scanning Acoustic Microscope)對樣品進(jìn)行聲學(xué)微區(qū)成像分析。檢測發(fā)現(xiàn)失效樣品內(nèi)基板和塑封料界面存在明顯的分層 (圖26中1-8區(qū)域表示分層)，典型的形貌如圖26所示。

圖26 樣品C-SAM結(jié)果 （正面）

2.5 內(nèi)部目檢與掃描電子顯微鏡檢查

對樣品F1#、F2#和G1#～G3#進(jìn)行化學(xué)開封，在金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡 (SEM：Scanning Electron Microscope)下觀察樣品內(nèi)部的芯片。樣品F1#內(nèi)的芯片2(PIN4/PIN5)，F(xiàn)2#內(nèi)芯片1(PIN1/Pin8)、芯片2(PIN4/PIN5)表面可見鈍化層破損。其中，F(xiàn)1#芯片1鈍化層部分脫落，對鈍化層脫落的芯片表面及其柵溝道區(qū)域進(jìn)行觀察，未見明顯的缺陷和損傷形貌。其余樣品內(nèi)芯片表面未見燒毀、遷移、橋連等明顯的異常形貌。對開封后的失效品進(jìn)行I-V特性曲線測試，漏電曲線未見明顯的變化。3只良品內(nèi)部芯片完好，均未見鈍化層破損，亦未見明顯的異常形貌。樣品的典型內(nèi)部目檢和SEM形貌如圖26-44所示。

圖27 F1#開封后芯片1（PIN1/PIN8）的形貌

圖28 F1#開封后芯片1的形貌

圖29 F1#開封后芯片1的SEM形貌

圖30 F1#開封后未清洗芯片2（PIN4/PIN5）

圖31 F1#開封后芯片2的形貌

圖32 F1#開封后芯片2（PIN4/PIN5）的SEM形貌

圖33 F1#開封后芯片2（PIN4/PIN5）的SEM形貌

圖34 F1#內(nèi)部芯片1鈍化層脫落表面SEM形貌

圖37 F2#開封后芯片1鈍化層破損SEM形貌

圖38 F2#開封后芯片2（PIN4/PIN5）的形貌

圖41 G1#開封后芯片1（PIN1/PIN8）的形貌

圖42 G1#開封后芯片2（PIN4/PIN5）的形貌

圖43 G2#開封后芯片1（PIN1/PIN8）的形貌

圖44 G2#開封后芯片2（PIN4/PIN5）的形貌

2.6 光發(fā)射顯微鏡檢查

用光發(fā)射顯微鏡 (EMMI：Emission Microscope)對樣品進(jìn)行檢測，對F1#的芯片1和良品G1#的芯片1的PIN1/PIN8通電，樣品的芯片區(qū)域均能探測到發(fā)光點(diǎn)，其中F1#芯片柵極下方發(fā)光點(diǎn)相對較多，典型的圖片如圖45-46所示。

圖46 G1#的芯片1（PIN1/PIN8）的EMMI檢測結(jié)果

圖45 F1#的芯片1（PIN1/PIN8）的EMMI檢測結(jié)果

2.7 去層檢測

對樣品去層后觀察樣品，發(fā)現(xiàn)樣品芯片的鈍化層下面覆蓋有一層膠狀層，去除后對芯片表面以及柵溝道區(qū)域進(jìn)行觀察，未見明顯的過電形貌和異常。典型的圖片如圖47-52所示。

圖47 F1#芯片1（PIN1/PIN8）去層形貌

圖48 F1#芯片1（PIN1/PIN8）去層形貌

圖49 F1#芯片2（PIN4/PIN5）去層形貌

圖50 F1#芯片2（PIN4/PIN5）去層形貌

圖51 F2#芯片2（PIN4/PIN5）去層形貌

圖52 F2#芯片2（PIN4/PIN5）去層形貌

3 綜合分析

樣品為GaAs的MMIC放大器，樣品的I-V曲線表明樣品存在漏電現(xiàn)象。

C-SAM檢查發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部存在分層，開封后觀察到失效樣品表面鈍化層均存在明顯的開裂。其中，有漏電特征的F1#芯片1(PIN1/PIN8)未見明顯的鈍化層破損，而I-V特性正常的F2#芯片1(PIN1/PIN8)表面存在鈍化層破損，并且失效芯片開封后仍保持漏電特征，說明失效樣品內(nèi)存在鈍化層的破損現(xiàn)象但跟漏電失效并沒有直接關(guān)系。而芯片的鈍化層破損可能與所受熱應(yīng)力和熱失配有關(guān)。

失效樣品內(nèi)芯片表面和去層后的形貌均未發(fā)現(xiàn)跟失效現(xiàn)象有關(guān)的明顯的異常形貌。相關(guān)檢測分析表明，樣品失效可能與ESD損傷或溝道退化有關(guān)。

4 結(jié)束語

通過分析發(fā)現(xiàn)，樣品的失效模式為漏電，內(nèi)部芯片表面可見鈍化層破損。因此推測樣品失效與ESD損傷或溝道退化有關(guān)。