【技術(shù)大咖測(cè)試筆記系列】之十一：使用鎖定熱成像技術(shù)加快故障分析

作者：泰克科技技術(shù)大咖

半導(dǎo)體公司和半導(dǎo)體科研人員一直在尋求各種方式，來讓器件問題發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室中，而不是發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)。故障分析（FA）工程師用了無數(shù)個(gè)小時(shí)，試圖了解器件為什么會(huì)發(fā)生故障，在將來怎樣才能防止故障。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樵S多器件用于關(guān)鍵事務(wù)型應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中，正如阿波羅13號(hào)航天飛行首席飛控主任Gene Kranz所說，“故障絕不能成為選項(xiàng)”。但器件故障卻經(jīng)常發(fā)生。

微電子故障分析是診斷器件發(fā)生的問題所使用的主要分析方法之一，不管問題出現(xiàn)在鑄造階段，還是出現(xiàn)在應(yīng)用封裝使用時(shí)。半導(dǎo)體器件電氣故障可以是功能故障，也可以是參數(shù)故障。在器件不能實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)功能時(shí)，這種故障視為功能故障。在器件不能達(dá)到可度量特點(diǎn)的電氣規(guī)范時(shí)，這種故障視為參數(shù)故障。泄漏電流是典型的參數(shù)故障，其可能與器件的功能無關(guān)。因此，即使器件功能正?；蚰軌?qū)崿F(xiàn)預(yù)計(jì)功能，其仍可能存在參數(shù)故障。

怎樣執(zhí)行故障分析？

圖1： 吉時(shí)利為檢驗(yàn)故障提供的I-V曲線示圖儀解決方案。

半導(dǎo)體器件故障分析技術(shù)有很多?？焖俸?jiǎn)單的驗(yàn)證測(cè)試需要使用源測(cè)量單元（SMU），可以以異常方式上升到I-V曲線，然后使用SMU無縫深入其行為，最大限度地減少進(jìn)一步損壞（可能）已損壞的器件的風(fēng)險(xiǎn)。

在I-V曲線示圖之外，測(cè)試分成破壞性測(cè)試和非破壞性測(cè)試。工程師的目標(biāo)是確定導(dǎo)致器件故障模式的故障機(jī)制。這些故障機(jī)制既可能來自IC中潛在的問題線路，也可能來自本地散熱，還可能來自電源或信號(hào)線之間的短路、氧化物或聯(lián)結(jié)擊穿、閉鎖等等。遺憾的是，破壞性測(cè)試通常在大部分分析工作中必不可少。開封、金屬線切割、橫截面等任務(wù)都屬于破壞性測(cè)試技術(shù)。如果過早地執(zhí)行這些程序，那么會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損壞和毀壞式分析，而忽略了為此付出的資源代價(jià)。

非破壞性故障評(píng)測(cè)在歷史上一直是一種可視化流程，使用傳輸電子顯微鏡和X射線檢測(cè)系統(tǒng)之類的工具來完成。這些工具的價(jià)格非常高。比較經(jīng)濟(jì)的另一種技術(shù)是鎖定熱成像技術(shù)（LiT）。LiT解決了客戶面臨的多個(gè)挑戰(zhàn)：

·不想破壞寶貴的被測(cè)器件（DUT）。

·需要一種簡(jiǎn)便的方式，定期調(diào)試DUT中消耗的功率的幅度。

·更快地隔離封裝器件中的問題站點(diǎn)或熱點(diǎn)，降低成本，更快地找到所需信息。

圖2： 鎖定熱成像技術(shù)可以迅速識(shí)別封裝半導(dǎo)體器件中的熱點(diǎn)?；魻?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器電路2的幅度圖像（a），相位圖像（b），ε校正后0°圖像（c; b中指明區(qū)域的0°/-90°圖像），從（c）中以數(shù)字方式去卷積的功耗（d）。

為什么采用鎖定熱成像技術(shù)？

鎖定熱成像技術(shù)是一種有源熱成像技術(shù)，用來分析微電子器件或比較常用的材料樣本，以檢測(cè)缺陷、損壞，或表征潛在的鑄造問題。LiT允許使用紅外熱成像攝像機(jī)，無接觸測(cè)量表面溫度。之所以叫“鎖定”，是因?yàn)閿z像機(jī)的采集速率必須與電路激發(fā)同步。

LiT以脈沖式電信號(hào)的形式對(duì)被測(cè)器件應(yīng)用定期熱激發(fā)，然后使用熱成像攝像機(jī)監(jiān)測(cè)溫度變化。熱成像攝像機(jī)捕獲多個(gè)快速采集，使用后處理算法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)半導(dǎo)體封裝器件，故障分析工程師可以勘測(cè)封裝表面，迅速識(shí)別局部化熱點(diǎn)，提高封裝表面的分辨率和溫度分布。

泰克/吉時(shí)利為鎖定熱成像技術(shù)搭建有效的解決方案

典型的鎖定熱成像技術(shù)系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3： 典型的鎖定熱成像技術(shù)系統(tǒng)的方框圖。1

可以使用相應(yīng)的可編程任意函數(shù)發(fā)生器、電壓脈沖源或電流源發(fā)生器，而不是硬件計(jì)數(shù)器和脈沖式電源，來滿足上面的應(yīng)用。例如，電流脈沖器可以輸出脈寬非常小的高達(dá)10 A @ 10 V的電流脈沖。

許多故障分析工程師需要全內(nèi)置儀器來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，這種儀器要包括內(nèi)置編程功能協(xié)調(diào)分析過程，并包括鎖定功能及熱成像攝像機(jī)。為此，泰克科技旗下公司吉時(shí)利開發(fā)了2601B-PULSE System SourceMeter? 10 μs脈沖器/SMU儀器。

圖4： 吉時(shí)利2601B-PULSE系統(tǒng)源表10 μs脈沖器/SMU儀器。

2601B-PULSE是一種高電流/高速脈沖器，擁有測(cè)量功能及傳統(tǒng)源測(cè)量單元的全部功能。這種新型脈沖器提供了領(lǐng)先的10 A @ 10 V電流脈沖輸出，最小脈寬10 μs，并擁有快速上升時(shí)間，如圖5所示。

圖5： 高保真10A、10ms脈沖，用于故障器件。

該儀器還有一種內(nèi)置定時(shí)器功能，不再需要使用外部時(shí)間基準(zhǔn)。內(nèi)置定時(shí)器有一個(gè)自由運(yùn)行的47位計(jì)數(shù)器及1 MHz時(shí)鐘輸入。定時(shí)器的分辨率為1 μs，準(zhǔn)確度為±100 ppm。根據(jù)圖3中的示意圖，2601B-PULSE代替了脈沖式電源和硬件計(jì)數(shù)器。

通過使用2601B-PULSE脈沖器/SMU及支持LAN/以太網(wǎng)的紅外熱成像攝像機(jī)，您可以簡(jiǎn)化鎖定熱成像技術(shù)配置，允許2601B-PULSE控制測(cè)試過程，同時(shí)使用PC運(yùn)行熱量分析軟件，如圖6所示。

圖6： 采用Keithley 2601B-PULSE的鎖定熱成像技術(shù)系統(tǒng)實(shí)例。

鎖定熱成像技術(shù)只是迅速識(shí)別器件熱點(diǎn)，縮小故障位置范圍，進(jìn)而調(diào)查確定故障根本原因的技術(shù)之一。Keithley 2601B-PULSE之類的儀器和支持LAN/以太網(wǎng)的紅外熱成像攝像機(jī)相結(jié)合，最大限度地減少了集成先進(jìn)儀器進(jìn)行測(cè)量的挑戰(zhàn)。鎖定熱成像技術(shù)減少了破壞性測(cè)試需求，幫助克服在封裝級(jí)進(jìn)行故障分析時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，加快獲得所需信息的速度，提高故障分析工程師的時(shí)間利用效率，節(jié)約機(jī)構(gòu)成本。