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

發(fā)布時間:2022-01-11 來源:泰克科技技 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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)生在實驗室中,而不是發(fā)生在現(xiàn)場。故障分析(FA)工程師用了無數(shù)個小時,試圖了解器件為什么會發(fā)生故障,在將來怎樣才能防止故障。


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)生在實驗室中,而不是發(fā)生在現(xiàn)場。故障分析(FA)工程師用了無數(shù)個小時,試圖了解器件為什么會發(fā)生故障,在將來怎樣才能防止故障。這一點至關(guān)重要,因為許多器件用于關(guān)鍵事務(wù)型應(yīng)用中,在這些應(yīng)用中,正如阿波羅13號航天飛行首席飛控主任Gene Kranz所說,“故障絕不能成為選項”。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。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。在器件不能實現(xiàn)預(yù)計功能時,這種故障視為功能故障。在器件不能達到可度量特點的電氣規(guī)范時,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,即使器件功能正常或能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)計功能,其仍可能存在參數(shù)故障。


怎樣執(zhí)行故障分析?


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

圖1: 吉時利為檢驗故障提供的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??焖俸唵蔚尿炞C測試需要使用源測量單元(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,最大限度地減少進一步損壞(可能)已損壞的器件的風(fēng)險。


在I-V曲線示圖之外,測試分成破壞性測試和非破壞性測試。工程師的目標(biāo)是確定導(dǎo)致器件故障模式的故障機制。這些故障機制既可能來自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)都屬于破壞性測試技術(shù)。如果過早地執(zhí)行這些程序,那么會導(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。


非破壞性故障評測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射線檢測系統(tǒng)之類的工具來完成。這些工具的價格非常高。比較經(jīng)濟的另一種技術(shù)是鎖定熱成像技術(shù)(LiT)。LiT解決了客戶面臨的多個挑戰(zhàn):


·不想破壞寶貴的被測器件(DUT)。


·需要一種簡便的方式,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或熱點,降低成本,更快地找到所需信息。


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

圖2: 鎖定熱成像技術(shù)可以迅速識別封裝半導(dǎo)體器件中的熱點?;魻杺鞲衅麟娐?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,無接觸測量表面溫度。之所以叫“鎖定”,是因為攝像機的采集速率必須與電路激發(fā)同步。


LiT以脈沖式電信號的形式對被測器件應(yīng)用定期熱激發(fā),然后使用熱成像攝像機監(jiān)測溫度變化。熱成像攝像機捕獲多個快速采集,使用后處理算法進行計算。對半導(dǎo)體封裝器件,故障分析工程師可以勘測封裝表面,迅速識別局部化熱點,提高封裝表面的分辨率和溫度分布。


泰克/吉時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。


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

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。為此,泰克科技旗下公司吉時利開發(fā)了2601B-PULSE System SourceMeter? 10 μs脈沖器/SMU儀器。


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

圖4: 吉時利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,擁有測量功能及傳統(tǒng)源測量單元的全部功能。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,并擁有快速上升時間,如圖5所示。


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

圖5: 高保真10A、10ms脈沖,用于故障器件。


該儀器還有一種內(nèi)置定時器功能,不再需要使用外部時間基準(zhǔn)。內(nèi)置定時器有一個自由運行的47位計數(shù)器及1 MHz時鐘輸入。定時器的分辨率為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,您可以簡化鎖定熱成像技術(shù)配置,允許2601B-PULSE控制測試過程,同時使用PC運行熱量分析軟件,如圖6所示。


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

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


鎖定熱成像技術(shù)只是迅速識別器件熱點,縮小故障位置范圍,進而調(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相結(jié)合,最大限度地減少了集成先進儀器進行測量的挑戰(zhàn)。鎖定熱成像技術(shù)減少了破壞性測試需求,幫助克服在封裝級進行故障分析時面臨的挑戰(zhàn),加快獲得所需信息的速度,提高故障分析工程師的時間利用效率,節(jié)約機構(gòu)成本。


在這里下載完整的應(yīng)用指南。


關(guān)于泰克科技


泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動創(chuàng)新能力。70多年來,泰克一直走在數(shù)字時代前沿。

(作者:泰克科技技術(shù)大咖)


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