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    如何判断IC失效是由EOS还是ESD引起的?

    时间:2022-05-17 20:05来源:www.www.larfn.com 作者:ictest8 点击:
     
    在电子器件组装过程中,EOS(Electrical Over Stress)与 ESD(Electrical Static Discharge)造成的集成电路失效约占现场失效器件总数的50%,且通常伴随较高不良率以及潜在可靠性问题,是产线一大杀手。
    当问题发生时,应该如何查找真因、寻找解决方案,一直以来都是工程师的难题。集成电路失效分析实验室,通过多年的行业积累,总结出一套相对完整的针对EOS/ESD的分析方法,通过失效分析、模拟验证等手段,可以更好地协助工程师提升产线良率及IC的可靠性。
     
    产线失效到底是由EOS还是ESD引起?
    做失效分析时,最希望知道root cause是EOS还是ESD,确认失效机理及真因,是改善良率的第一步,也是非常关键的一步。我们区分EOS还是ESD会首先通过失效分析手法挖掘IC的物理失效现象,然后从现象上去区分。
    常见ESD物理失效表现:衬底击穿、多晶硅熔融、GOX pin hole、contact melted、metal melted等(图1),
    常见EOS物理失效表现:氧化层、金属层大面积熔融以及封装体碳化等现象(图2)。
    图1:常见ESD物理失效现象
    图2:常见EOS物理失效现象
     
    为什么EOS和ESD会造成不同的失效现象?
    ESD从广义上属于EOS的一种,但是现场应用中我们通常把ESD单独归类,除此之外的过电应力统归于EOS。EOS 是指长时间(几微秒到几秒)持续的过压或大电流造成的局部过热导致的失效,其电压、电流相对ESD较低,但是持续时间长能量更高,经常有同一功能区块多处大面积的burnout现象。ESD 单指在静电放电过程中瞬间高电压(通常在几千或上万伏特)大电流(1~10A)状态下引发的失效现象,主要特征为放电时间极短(1~100ns),因此一般呈现为轻微的点状失效。
    表1:EOS/ESD信号特征
    图3:EOS/ESD脉冲波形
     
    什么情况下无法区分EOS/ESD?
    一种情况是短脉冲EOS(持续时间几个微秒)与ESD的物理损伤十分相似,比如只造成很小面积的金属熔融,这种情况就很难区分是EOS还是ESD的能量造成。另一种情况是IC先经过了ESD损伤,在后续功能验证时大漏电流诱发了burnout现象,使得IC表面同时存在EOS和ESD的物理失效特征,尤其常见于PAD旁边的IO buffer线路上,这种情况下单从物理失效现象是无法判断初始失效是否由ESD导致。当遇到EOS/ESD无法区分的情况,需要通过模拟实验进一步验证,对IC或系统使用不同模型进行EOS/ESD模拟测试(图4)test to fail,并针对失效IC进行分析
    通过对比验证批芯片与实际失效芯片的物理失效现象(失效线路位置及失效发生的物理深度),不仅可以用来归纳真因,还可以了解IC或系统在不同条件下的耐受等级,从而进一步指导优化产线防护或IC的可靠性设计。针对新投产芯片也可以考虑从多维度进行EOS/ESD的验证与分析(图5),不断提升IC的可靠性品质。
    图4:IC常见EOS模拟验证方式
    图5:IC常见EOS/ESD测试项目
     
    综上所述,当产线发生EOS/ESD失效时,应该从哪些方面进行分析及改良?建议参考以下流程进行:
    1.针对失效IC进行电性及物理失效分析,确认其物理失效现象(失效点对应的电路位置及失效的物理深度),配合现场失效信息收集,初步推断EOS/ESD失效模型;
    2.针对EOS/ESD无法判断的情况,对相关IC或系统进行EOS/ESD模拟试验,验证其电压、电流耐受等级,并针对失效芯片执行失效分析,对比实际失效状况,归纳真因及梳理改善方向;
    3.探测现场容易发生EOS/ESD的位置(例如使用ESD Event Detector或高频示波器),针对产线应用进行改良。
    集成电路IC常见EOS/ESD失效来源:
    生产人员/设备/环境的ESD防护不佳
    使用易感应静电的材料
    ??椴馐钥匾鸬乃蔡?毛刺/短时脉冲波形干扰
    热插拔引发的瞬间电压、电流脉冲
    电源供应器缺少过电?;ぷ爸眉霸肷瞬ㄗ爸?/div>
    提供超过组件可操作的工作电源
    接地点反跳(接地点不足导致电流快速转换引起高电压)
    过多过强的ESD事件引发EOS
    其他设备的脉冲信号干扰
    不正确的上电顺序
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