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【技術大咖測試筆記系列】之十一: 使用鎖定熱成像技術加快故障分析

2022-01-13
作者:泰克科技技術大咖
來源:泰克科技

半導體公司和半導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,。這一點至關重要,,因為許多器件用于關鍵事務型應用中,在這些應用中,,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)在應用封裝使用時,。半導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。因此,,即使器件功能正?;蚰軌?qū)崿F(xiàn)預計功能,其仍可能存在參數(shù)故障,。

怎樣執(zhí)行故障分析,?

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圖1: 吉時利為檢驗故障提供的I-V曲線示圖儀解決方案。

半導體器件故障分析技術有很多,??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,。工程師的目標是確定導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、橫截面等任務都屬于破壞性測試技術,。如果過早地執(zhí)行這些程序,,那么會導致不可逆轉(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)濟的另一種技術是鎖定熱成像技術(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,。

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圖2: 鎖定熱成像技術可以迅速識別封裝半導體器件中的熱點?;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?

鎖定熱成像技術是一種有源熱成像技術,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搭建有效的解決方案

典型的鎖定熱成像技術系統(tǒng)圖如圖3所示,。

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圖3: 典型的鎖定熱成像技術系統(tǒng)的方框圖,。1

可以使用相應的可編程任意函數(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,。

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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,。

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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,。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,。

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

鎖定熱成像技術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,。


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