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使用锁定热成像技术加快故障分析

半导体公司和半导体科研人员一直在寻求各种方式,来让器件问题发生在实验室中,而不是发生在现场。故障分析(FA)工程师用了无数个小时,试图了解器件为什么会发生故障,在将来怎样才能防止故障。这一点至关重要,因为许多器件用于关键事务型应用中,在这些应用中,正如阿波罗13号航天飞行首席飞控主任Gene Kranz所说,“故障绝不能成为选项”。但器件故障却经常发生。

 

微电子故障分析是诊断器件发生的问题所使用的主要分析方法之一,不管问题出现在铸造阶段,还是出现在应用封装使用时。半导体器件电气故障可以是功能故障,也可以是参数故障。在器件不能实现预计功能时,这种故障视为功能故障。在器件不能达到可度量特点的电气规范时,这种故障视为参数故障。泄漏电流是典型的参数故障,其可能与器件的功能无关。因此,即使器件功能正常或能够实现预计功能,其仍可能存在参数故障。

 

怎样执行故障分析?

 

半导体器件故障分析技术有很多。快速简单的验证测试需要使用源测量单元(SMU) 可以以异常方式上升到I-V曲线,然后使用SMU无缝深入其行为,最大限度地减少进一步损坏(可能)已损坏的器件的风险。

 

Keithley’s I-V Tracer solution for failure verification show on a Source Measure Unit (SMU)

图1: 吉时利为检验故障提供的I-V曲线示图仪解决方案。

在I-V曲线示图之外,测试分成破坏性测试和非破坏性测试。工程师的目标是确定导致器件故障模式的故障机制。这些故障机制既可能来自IC中潜在的问题线路,也可能来自本地散热,还可能来自电源或信号线之间的短路、氧化物或联结击穿、闭锁等等。遗憾的是,破坏性测试通常在大部分分析工作中必不可少。开封、金属线切割、横截面等任务都属于破坏性测试技术。如果过早地执行这些程序,那么会导致不可逆转的损坏和毁坏式分析,而忽略了为此付出的资源代价。

非破坏性故障评测在历史上一直是一种可视化流程,使用传输电子显微镜和X射线检测系统之类的工具来完成。这些工具的价格非常高。比较经济的另一种技术是锁定热成像技术(LiT)。LiT解决了客户面临的多个挑战:

  • 不想破坏宝贵的被测器件(DUT)。
  • 需要一种简便的方式,定期调试DUT中消耗的功率的幅度。
  • 更快地隔离封装器件中的问题站点或热点,降低成本,更快地找到所需信息。
 Lock-in Thermography shown in this image can quickly identify hot spots in packaged semiconductor devices.

图2: 锁定热成像技术可以迅速识别封装半导体器件中的热点。霍尔传感器电路2的幅度图像(a),相位图像(b),ε校正后0°图像(c; b中指明区域的0°/-90°图像),从(c)中以数字方式去卷积的功耗(d)。

 

为什么采用锁定热成像技术?

锁定热成像技术是一种有源热成像技术,用来分析微电子器件或比较常用的材料样本,以检测缺陷、损坏,或表征潜在的铸造问题。LiT允许使用红外热成像摄像机,无接触测量表面温度。之所以叫“锁定”,是因为摄像机的采集速率必须与电路激发同步。

 

LiT以脉冲式电信号的形式对被测器件应用定期热激发,然后使用热成像摄像机监测温度变化。热成像摄像机捕获多个快速采集,使用后处理算法进行计算。对半导体封装器件,故障分析工程师可以勘测封装表面,迅速识别局部化热点,提高封装表面的分辨率和温度分布。

 

泰克/吉时利可以怎样帮助您为锁定热成像技术搭建有效的解决方案

 

典型的锁定热成像技术系统图如图3所示。

 Block diagram for a typical Lock-in Thermography system

图3: 典型的锁定热成像技术系统的方框图。1

【图示内容:】
Pulsed Bias: 脉冲式偏置
IR Detector Head: 红外检测器头
Pulsing Power Supply: 脉冲式电源
Lock-in reference timebase: 锁定基准时基
Communication: 通信
Frame Grabber Board: 图像采集卡
Hardware Counter: 硬件计数器
PC Memory: PC内存

 

可以使用相应的可编程任意函数发生器、电压脉冲源或电流源发生器,而不是硬件计数器和脉冲式电源,来满足上面的应用。例如,电流脉冲器可以输出脉宽非常小的高达10 A @ 10 V的电流脉冲。

 

许多故障分析工程师需要全内置仪器来应对挑战,这种仪器要包括内置编程功能协调分析过程,并包括锁定功能及热成像摄像机。为此,泰克科技旗下公司吉时利开发了2601B-PULSE System SourceMeter® 10 μs脉冲器/SMU仪器。

 Keithley’s 2601B-PULSE System SourceMeter product image

图4: 吉时利2601B-PULSE系统源表10 μs脉冲器/SMU仪器。

 

The 2601B-PULSE 是一种高电流/高速脉冲器,拥有测量功能及传统源测量单元的全部功能。这种新型脉冲器提供了领先的10 A @ 10 V电流脉冲输出,最小脉宽10 μs,并拥有快速上升时间,如图6所示。

A pulse for application on a failed device

图5: 高保真10A、10ms脉冲,用于故障器件。

 

该仪器还有一种内置定时器功能,不再需要使用外部时间基准。内置定时器有一个自由运行的47位计数器及1 MHz时钟输入。定时器的分辨率为1 μs,准确度为±100 ppm。根据图3中的示意图,2601B-PULSE代替了脉冲式电源和硬件计数器。

 

通过使用2601B-PULSE脉冲器/SMU及支持LAN/以太网的红外热成像摄像机,您可以简化锁定热成像技术配置,允许2601B-PULSE控制测试过程,同时使用PC运行热量分析软件,如图6所示。

 

Diagram of a Lock-in Thermography System using the Keithley 2601B-PULSE

图6: 采用Keithley 2601B-PULSE的锁定热成像技术系统实例。

【图示内容:】
LAN/Ethernet IR Thermal Camera: LAN/以太网红外热成像摄像机
TTL Trigger: TTL触发器
Ethernet Switch: 以太网交换机
2601B-PULSE System SourceMeter®: 2601B-PULSE系统源表
10 μs Pulser/SMU Instrument: 10 μs脉冲器/SMU仪器

 

总结

 

锁定热成像技术只是迅速识别器件热点,缩小故障位置范围,进而调查确定故障根本原因的技术之一。 Keithley 2601B-PULSE 之类的仪器和支持LAN/以太网的红外热成像摄像机相结合,最大限度地减少了集成先进仪器进行测量的挑战。锁定热成像技术减少了破坏性测试需求,帮助克服在封装级进行故障分析时面临的挑战,加快获得所需信息的速度,提高故障分析工程师的时间利用效率,节约机构成本。

 

在这里下载完整的应用指南.

 

参考资料

1. 运用锁定热成像技术在集成电路中进行故障分析,弗劳恩霍夫材料力学研究所, 德国马普所微结构物理所, O. Breitenstein, Ch. Schmidt, F. Altmann, Halle, 德国, Microtherm 2011。
2. 使用红外锁定热成像技术进行热故障分析, 微电子故障分析案头参考, Breitenstein, Schmidt, Altamann, Karg, ASM International 2011。