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(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(guān),。因此,，即使器件功能正常或能夠?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？
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(shù)有很多,。快速簡單的驗證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(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。
圖2: 鎖定熱成像技術(shù)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(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,。
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,。
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。
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(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。
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,。