怎樣才是最有效的IC故障診斷和失效分析

摘要：對(duì)一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行故障診斷的時(shí)候，知識(shí)儲(chǔ)備是最重要的。我們想要的并且需要去了解相關(guān)的一些問(wèn)題。它包括正確的IC版本號(hào)，在哪里可以找到有關(guān)的參考資料，誰(shuí)真正了解客戶端發(fā)生了什么。幫助客戶是我們最主要的關(guān)心的，IC的失效分析要求快速而正確的作出響應(yīng)。但是我們是否應(yīng)該期望在失效分析的時(shí)候，質(zhì)量保證部可以測(cè)試所有條件下的每一個(gè)參數(shù)呢?不，根本不可能，也來(lái)不及。大多數(shù)是猜測(cè)分析。這可能會(huì)引起一些人的吃驚，但質(zhì)量部門的人也是沒(méi)有水晶球或者是讀心術(shù)的。及時(shí)有效的IC故障診斷的唯一可能性是從客戶端得到關(guān)于IC失效的正確信息。

IC的失效分析——它是在浪費(fèi)時(shí)間

我們經(jīng)常聽(tīng)到“觀念是現(xiàn)實(shí)的。”當(dāng)IC失效的時(shí)候或客戶認(rèn)為它失效了，我們必須做一個(gè)失效分析。為了更有效，我們必須得到準(zhǔn)確的相關(guān)信息。這是避免猜測(cè)的唯一出路。讓我講述一個(gè)發(fā)生在很久以前的小插曲。一個(gè)器件由于失效被退回來(lái)，我們沒(méi)有得到任何相關(guān)信息。我們對(duì)這個(gè)器件做了一系列驗(yàn)證，例如運(yùn)行自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，臺(tái)架試驗(yàn)，X光檢查，及開(kāi)蓋檢查。我們把這個(gè)器件浸在軟性電子的環(huán)境中，放在電子顯微鏡下觀察觀察損壞的地方。我們使用液晶涂層來(lái)測(cè)量溫度。這個(gè)器件是完好的。我們沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何的失效原因。因此質(zhì)量部在報(bào)告中就寫了，我們想知道為什么這個(gè)器件由于失效被退回來(lái)?

大約兩個(gè)月后，我們幾乎是偶然間了解到，當(dāng)這個(gè)器件被加熱到+60℃以上，客戶的產(chǎn)品會(huì)失效。我們?cè)僖淮巫隽耸Х治?。我們?cè)谑覝叵?+25℃)測(cè)試這個(gè)器件，什么都沒(méi)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)這個(gè)器件在測(cè)試中被毀壞后，它不再有任何的功能。最終，這是一次返回事件，它沒(méi)有再次發(fā)生。但這里有更重要的教訓(xùn)：沒(méi)有關(guān)鍵失效數(shù)據(jù)，我們只能是個(gè)盲人，也只能亂加猜測(cè)。我們浪費(fèi)了大量的時(shí)間和金錢。(參見(jiàn)附錄—IC失效分析在國(guó)內(nèi)的另一個(gè)更個(gè)人化的古董車故事，接地問(wèn)題與另一個(gè)失效的IC。)

徹底的測(cè)試對(duì)QA來(lái)說(shuō)是徒勞的

多次損壞的IC以至于無(wú)法確認(rèn)損壞的根源?？蛻魪目偝邪棠睦锬昧艘粔K板子回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室里，他們把IC從板子上面取下來(lái)，并且聲明這個(gè)芯片是失效的。很可能，客戶會(huì)得出一個(gè)結(jié)論，失效的根本原因是由于芯片本身。他們想要我們做一個(gè)失效分析，但失效的數(shù)據(jù)在哪里呢?當(dāng)時(shí)的境況有被仔細(xì)記錄嗎?如何阻止將來(lái)的失效呢?我們又轉(zhuǎn)回到先前的猜測(cè)中，而不是實(shí)際查看——對(duì)有效的失效分析來(lái)說(shuō)，它幾乎不是一個(gè)良方。

在這個(gè)案例中，客戶集中在多個(gè)輸出設(shè)備的三個(gè)引腳。這是我們所知道的：器件離開(kāi)工廠的時(shí)候有幾個(gè)部門與數(shù)十億量的認(rèn)證;在它失效之前，工作了數(shù)小時(shí)。它會(huì)是個(gè)初期的失效還是由于外部操作而損壞呢?它已經(jīng)在客戶的電路中了嗎?是工作在參考電路環(huán)境下嗎?是工廠的ESD弱化電路而導(dǎo)致后面的失效嗎?也許這是由于運(yùn)輸員忽略了ESD而導(dǎo)致芯片損壞?可能因素的列表看上去是無(wú)止境的。

從客戶那里收到最初的原理圖不是很有幫助。它顯示出的既不是什么導(dǎo)致器件失效也沒(méi)有顯示出需要去更改的。FAE需要去檢查一下地的處理方式。它是不是有被正確的分割?從原理圖上，你無(wú)法分辨地的連接。我們收到更多頁(yè)的原理圖，但是現(xiàn)在問(wèn)題比答案還多。為什么客戶僅僅查看很多輸出中的三個(gè)呢?器件的任何輸入或者輸出已經(jīng)和低阻抗連接到板上的引腳嗎?電源和地平面是低阻抗連接嗎?板上的ESD會(huì)有問(wèn)題嗎?我們還是在猜測(cè)中。

有效的失效分析——故障診斷是一個(gè)犯罪現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)在我們想問(wèn)，“怎樣在一開(kāi)始就獲得正確的信息呢?”期待QA去做所有的條件下的每一個(gè)參數(shù)，它是合理的嗎?特別是關(guān)于這個(gè)失效我們什么都不了解的情況下。不是。我們會(huì)幫助客戶去理解為什么IC會(huì)失效，以及糾正它使用正確的應(yīng)用電路。

顯然的，這種做法與那些認(rèn)為失效分析應(yīng)該馬上做的思路產(chǎn)生沖突。我已經(jīng)聽(tīng)到，“失效分析經(jīng)常是第一件要做的事情。在查看IC應(yīng)用電路之前，先查看IC的內(nèi)部。”我不能理解這個(gè)想法是源自哪里?我也不同意。失效分析不是第一要做的工作。相反地，調(diào)查“犯罪現(xiàn)場(chǎng)”和失效事件才是第一步要做的。

故障定位的信息是至關(guān)重要的，像警察調(diào)查員一樣，我們應(yīng)該竭盡全力去保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。第一件事是查看IC的應(yīng)用電路，即，它在哪里失效。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的事情，就像焊錫飛濺也可能是真正的答案。IC可能是部分工作，而不是完全失效。事實(shí)上，拆卸這顆IC可能會(huì)掩蓋真實(shí)的問(wèn)題。

對(duì)于一個(gè)有效的失效分析來(lái)說(shuō)，我們需要查看客戶的原理圖和收集所有失效的情況，為什么它會(huì)失效。是的。這個(gè)流程可能會(huì)遇到客戶保密的問(wèn)題。這是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題，它也就是為什么要有保密協(xié)議。這也就是這種情況，F(xiàn)AE作為工廠的眼睛和耳朵在世界各地。FAE可以查看客戶的設(shè)備，評(píng)估他們的原理圖，布線，以及應(yīng)用的其他條件。為了保護(hù)客戶的秘密，F(xiàn)AE只需要把客戶原理圖設(shè)計(jì)的相關(guān)部分發(fā)送給QA。而現(xiàn)在，QA將要使用這些可信的故障數(shù)據(jù)做最終處理。

成功的結(jié)果

回到我們之前的故事，當(dāng)?shù)谾AE客戶一起密切關(guān)注這個(gè)失效問(wèn)題，當(dāng)手里有了更多的原理圖，我們可以看到：一個(gè)op amp連接著一個(gè)輸出管腳，但由于10kΩ的串聯(lián)電阻，它應(yīng)該幾乎不生效。通過(guò)使用一個(gè)共地，非分離地連接一個(gè)星點(diǎn)，供電噪聲直接被耦合，雖然去耦電容連接著其他供電。最小的去耦電容是0.1μF，表面貼裝0.1μF電容典型的自諧振大概是15MHz，高于它作為電感的頻率且導(dǎo)致停止作為電容的功能。

從中有兩個(gè)教訓(xùn)。首先，去耦電容是雙向道的，如果耦合了有噪聲的供電到一個(gè)干凈的供電，那么噪聲將污染了這個(gè)干凈供電。其次，同樣的事情也發(fā)生在有噪聲的地線上：噪聲將會(huì)污染干凈的供電。有噪聲的供電要和有噪聲的地線配對(duì)，而干凈的供電必須和干凈的地線配對(duì)。交叉污染可損壞電源和地線。上訴的自諧振頻率，使它變成了電感，也就是說(shuō)，它不再傳導(dǎo)或者衰減高頻能量。

結(jié)論

我們兜了一圈重復(fù)我們初始的看法：在解決一個(gè)IC失效問(wèn)題上，知識(shí)為王。從一個(gè)調(diào)查的開(kāi)始，沒(méi)有任何人能有當(dāng)?shù)谾AE和客戶一起肩并肩檢查問(wèn)題更有價(jià)值了。FAE必須要仔細(xì)檢查整個(gè)系統(tǒng)，板子的Layout，原理圖和應(yīng)用，然后把數(shù)據(jù)傳達(dá)回給QA。只有在這些準(zhǔn)確的、詳細(xì)的數(shù)據(jù)之下，我們才能解決IC失效問(wèn)題，沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，QA只能被迫猜測(cè)“犯罪現(xiàn)場(chǎng)”。

附錄——失效分析在后方

這里是一個(gè)相關(guān)的例子證明在一個(gè)失效的電路上為什么證明知識(shí)為王。沒(méi)有完整的失效數(shù)據(jù)，根本不可能得到準(zhǔn)確的FA。這個(gè)例子一開(kāi)始并不是去解決一個(gè)IC失效問(wèn)題的，但是很快IC失效問(wèn)題就被卷進(jìn)去了。

一個(gè)朋友有一個(gè)老舊的生產(chǎn)于1927至1931之間的Model A Ford汽車，他安裝了一個(gè)從當(dāng)?shù)仄嚵悴考痰曩I來(lái)的收音機(jī)，但是它不能工作。他把這個(gè)收音機(jī)拿回給商店換了一個(gè)新的，再次安裝進(jìn)去之后結(jié)果還是不能工作。嘗試了三次的“壞”的收音機(jī)之后，商家把錢退回給他了。

他向一個(gè)古玩汽車俱樂(lè)部成員述說(shuō)他的遭遇，他們告訴他，Model A汽車有一個(gè)正極搭鐵，所以收音機(jī)使它的供電顛倒。當(dāng)收音機(jī)期望連接至正極電壓時(shí)，它實(shí)際上連接的是一個(gè)負(fù)電壓。如果半導(dǎo)體上供電顛倒，半導(dǎo)體將會(huì)冒煙。

這個(gè)Model A的故事還在繼續(xù)，基于正極搭鐵的知識(shí)，我們的朋友買了一個(gè)昂貴的定制的DC-DC變換器用于反轉(zhuǎn)供電電壓。為了測(cè)試，他在工作臺(tái)上把電池連接到DC-DC變換器和收音機(jī)，結(jié)果收音機(jī)開(kāi)始工作了。但是當(dāng)他把所有東西都嵌入到汽車時(shí)，保險(xiǎn)絲燒斷了。最后，他只好請(qǐng)求他一個(gè)工程師朋友的幫助。

Model A的底座連接著電池的正極端子(按今天的電子器件來(lái)看，相當(dāng)于負(fù)極供電)。在1956年之后，美國(guó)的汽車都是負(fù)極搭鐵，電池的負(fù)極端子是連接底座的，生成正極供電。當(dāng)今在汽車商店買的消費(fèi)品是假定汽車是負(fù)極搭鐵的。下面的圖1在工作臺(tái)上能工作是因?yàn)槭找魴C(jī)沒(méi)有螺栓固定在汽車的底座上。

此裝置能在工作臺(tái)上工作是因?yàn)闆](méi)有把虛線部分的底座地連接到收音機(jī)上

在DC-DC變換器中沒(méi)有一個(gè)地隔離以省成本;事實(shí)上，正極輸入和正極輸出被連接在底座地上。所以，當(dāng)此裝置在工作臺(tái)上時(shí)，它能工作是因?yàn)闆](méi)有把虛線部分的底座地連接到收音機(jī)上。一旦把收音機(jī)接到汽車上時(shí)，收音機(jī)被短路到電源，保險(xiǎn)絲就會(huì)燒斷了。

假設(shè)你是一個(gè)收音機(jī)公司的技術(shù)人員且被安排對(duì)這些返回的收音機(jī)做失效分析，而當(dāng)?shù)氐纳碳抑粫?huì)告訴你他所知道的：“裝上去之后不工作。”然后你打開(kāi)收音機(jī)且發(fā)現(xiàn)很多被燒壞的器件。是什么導(dǎo)致這些問(wèn)題?如果沒(méi)有更具體的表現(xiàn)數(shù)據(jù)，你只能去猜測(cè)了。就如我們所說(shuō)的，任何一個(gè)QA需要完整的失效故事才能得出有效的修復(fù)器件的建議。