怎樣才是最有效的IC故障診斷和失效分析

摘要：對一個復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行故障診斷的時候，知識儲備是最重要的。我們想要的并且需要去了解相關(guān)的一些問題。它包括正確的IC版本號，在哪里可以找到有關(guān)的參考資料，誰真正了解客戶端發(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候，質(zhì)量保證部可以測試所有條件下的每一個參數(shù)呢?不，根本不可能，也來不及。大多數(shù)是猜測分析。這可能會引起一些人的吃驚，但質(zhì)量部門的人也是沒有水晶球或者是讀心術(shù)的。及時有效的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——它是在浪費時間

我們經(jīng)常聽到“觀念是現(xiàn)實的。”當(dāng)IC失效的時候或客戶認(rèn)為它失效了，我們必須做一個失效分析。為了更有效，我們必須得到準(zhǔn)確的相關(guān)信息。這是避免猜測的唯一出路。讓我講述一個發(fā)生在很久以前的小插曲。一個器件由于失效被退回來，我們沒有得到任何相關(guān)信息。我們對這個器件做了一系列驗證，例如運行自動測試設(shè)備，臺架試驗，X光檢查，及開蓋檢查。我們把這個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測量溫度。這個器件是完好的。我們沒發(fā)現(xiàn)任何的失效原因。因此質(zhì)量部在報告中就寫了，我們想知道為什么這個器件由于失效被退回來?

大約兩個月后，我們幾乎是偶然間了解到，當(dāng)這個器件被加熱到+60℃以上，客戶的產(chǎn)品會失效。我們再一次做了失效分析。我們在室溫下(+25℃)測試這個器件，什么都沒發(fā)現(xiàn)。當(dāng)這個器件在測試中被毀壞后，它不再有任何的功能。最終，這是一次返回事件，它沒有再次發(fā)生。但這里有更重要的教訓(xùn)：沒有關(guān)鍵失效數(shù)據(jù)，我們只能是個盲人，也只能亂加猜測。我們浪費了大量的時間和金錢。(參見附錄—IC失效分析在國內(nèi)的另一個更個人化的古董車故事，接地問題與另一個失效的IC。)

徹底的測試對QA來說是徒勞的

多次損壞的IC以至于無法確認(rèn)損壞的根源?？蛻魪目偝邪棠睦锬昧艘粔K板子回實驗室。在實驗室里，他們把IC從板子上面取下來，并且聲明這個芯片是失效的。很可能，客戶會得出一個結(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失效分析，但失效的數(shù)據(jù)在哪里呢?當(dāng)時的境況有被仔細(xì)記錄嗎?如何阻止將來的失效呢?我們又轉(zhuǎn)回到先前的猜測中，而不是實際查看——對有效的失效分析來說，它幾乎不是一個良方。

在這個案例中，客戶集中在多個輸出設(shè)備的三個引腳。這是我們所知道的：器件離開工廠的時候有幾個部門與數(shù)十億量的認(rèn)證;在它失效之前，工作了數(shù)小時。它會是個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，你無法分辨地的連接。我們收到更多頁的原理圖，但是現(xiàn)在問題比答案還多。為什么客戶僅僅查看很多輸出中的三個呢?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會有問題嗎?我們還是在猜測中。

有效的失效分析——故障診斷是一個犯罪現(xiàn)場

現(xiàn)在我們想問，“怎樣在一開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參數(shù)，它是合理的嗎?特別是關(guān)于這個失效我們什么都不了解的情況下。不是。我們會幫助客戶去理解為什么IC會失效，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”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。這樣一個簡單的事情，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。事實上，拆卸這顆IC可能會掩蓋真實的問題。

對于一個有效的失效分析來說，我們需要查看客戶的原理圖和收集所有失效的情況，為什么它會失效。是的。這個流程可能會遇到客戶保密的問題。這是一個常見的問題，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)注這個失效問題，當(dāng)手里有了更多的原理圖，我們可以看到：一個op amp連接著一個輸出管腳，但由于10kΩ的串聯(lián)電阻，它應(yīng)該幾乎不生效。通過使用一個共地，非分離地連接一個星點，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干凈的供電，那么噪聲將污染了這個干凈供電。其次，同樣的事情也發(fā)生在有噪聲的地線上：噪聲將會污染干凈的供電。有噪聲的供電要和有噪聲的地線配對，而干凈的供電必須和干凈的地線配對。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，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IC失效問題上，知識為王。從一個調(diào)查的開始，沒有任何人能有當(dāng)?shù)谾AE和客戶一起肩并肩檢查問題更有價值了。FAE必須要仔細(xì)檢查整個系統(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失效問題，沒有這些數(shù)據(jù)，QA只能被迫猜測“犯罪現(xiàn)場”。

附錄——失效分析在后方

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

一個朋友有一個老舊的生產(chǎn)于1927至1931之間的Model A Ford汽車，他安裝了一個從當(dāng)?shù)仄嚵悴考痰曩I來的收音機，但是它不能工作。他把這個收音機拿回給商店換了一個新的，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”的收音機之后，商家把錢退回給他了。

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

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

Model A的底座連接著電池的正極端子(按今天的電子器件來看，相當(dāng)于負(fù)極供電)。在1956年之后，美國的汽車都是負(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品是假定汽車是負(fù)極搭鐵的。下面的圖1在工作臺上能工作是因為收音機沒有螺栓固定在汽車的底座上。

此裝置能在工作臺上工作是因為沒有把虛線部分的底座地連接到收音機上

在DC-DC變換器中沒有一個地隔離以省成本;事實上，正極輸入和正極輸出被連接在底座地上。所以，當(dāng)此裝置在工作臺上時，它能工作是因為沒有把虛線部分的底座地連接到收音機上。一旦把收音機接到汽車上時，收音機被短路到電源，保險絲就會燒斷了。

假設(shè)你是一個收音機公司的技術(shù)人員且被安排對這些返回的收音機做失效分析，而當(dāng)?shù)氐纳碳抑粫嬖V你他所知道的：“裝上去之后不工作。”然后你打開收音機且發(fā)現(xiàn)很多被燒壞的器件。是什么導(dǎo)致這些問題?如果沒有更具體的表現(xiàn)數(shù)據(jù)，你只能去猜測了。就如我們所說的，任何一個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。