【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
作者：泰克科技技术大咖
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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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）。
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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。
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