【技术大咖测试笔记系列】之十一：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？

图1: 吉时利为检验故障提供的I-V曲线示图仪解决方案。

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。

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。

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。

图3: 典型的锁定热成像技术系统的方框图。¹

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。

图4: 吉时利2601B-PULSE系统源表10 μs脉冲器/SMU仪器。

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5所示。

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。

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

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。

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