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1、 引言

隨著電子產(chǎn)品往小型化、集成化的方向發(fā)展，特別是異質(zhì)集成（如2.5D封裝）、多芯片模組（如SiP）等封裝的發(fā)展，使得元器件的無損失效定位變得愈發(fā)困難。對于開封后的器件，當(dāng)芯片表面金屬化密集、金屬化層數(shù)變多時，OBIRCH及EMMI可能無法進(jìn)行準(zhǔn)確定位。為了解決這些新的問題，可以采用鎖相紅外熱成像技術(shù)，利用紅外線的穿透力以及鎖相技術(shù)的降噪能力，極大地提高了分析的靈敏度。

2、 鎖相紅外熱成像系統(tǒng)工作原理

圖1是鎖相紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理圖，鎖相放大系統(tǒng)通過對待測器件進(jìn)行周期性（flock-in）的加電，使其表面熱輻射信號產(chǎn)生周期性的變化，這些熱輻射輸入信號會被紅外相機(jī)收集，此時相機(jī)接收圖像有兩個：一是熱幅值分布圖，用于定位器件的熱點，二是熱點被相機(jī)檢測到的時間延遲（相位圖），可以判斷出熱點所在的深度。通過鎖相分析系統(tǒng)的優(yōu)化，紅外熱成像顯微鏡能夠在表面上檢測幾微K的局部溫度調(diào)制。其靈敏度比起傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱成像方法有二至三個數(shù)量級的提升。

圖1 鎖相紅外熱成像應(yīng)用原理圖

賽寶實驗室的紅外熱成像顯微鏡由HgCdTe（Mercury Cadmium Telluride）半導(dǎo)體材料紅外相機(jī)、中波紅外物鏡、探針臺、計算機(jī)、電動探針臺控制器、顯示屏等單元組成，其中，HgCdTe紅外相機(jī)測量光譜范圍為3µm~5µm，與芯片工作時產(chǎn)生的紅外輻射波段具有很好的匹配性，可探測低至uW級別的熱量。同時，可選的中波紅外物鏡頭倍率有0.29×、0.8×、4×、8×，能夠適應(yīng)PCBA及大尺寸器件的失效定位。

圖2 鎖相紅外熱成像系統(tǒng)構(gòu)成

3、 案例分析

通過以往大量的應(yīng)用，鎖相紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于電源模塊短路、封裝殼體漏電、阻容感器件、PCBA等失效定位上，以下通過兩個典型案例進(jìn)行分享。

案例一

鎖相紅外熱成像顯微鏡在低阻漏電情況中的優(yōu)勢體現(xiàn)

在該案例中，已知某型號規(guī)格的功分器在老化試驗結(jié)束后上電失效，表現(xiàn)為高頻狀態(tài)輸出通道增益下降，通過內(nèi)部目檢確認(rèn)樣品未見明顯異常形貌。在隨后的電測中發(fā)現(xiàn)其RF與GND端口之間的I-V特性曲線均呈異常低阻特性。先后利用激光掃描顯微鏡（OBIRCH）、鎖定紅外熱成像尋找芯片上的失效點。利用FIB對樣品定位結(jié)果所指的電容進(jìn)行剖面檢查，可見電容存在擊穿熔融燒毀形貌。

定位結(jié)果對比如圖3所示，電容FIB剖面結(jié)果如圖4所示。

圖3 樣品OBIRCH（左）與鎖相紅外熱成像（右）

失效定位結(jié)果對比

圖4 樣品電容FIB剖面結(jié)果

由該案例中OBIRCH和鎖相紅外熱成像顯微鏡效果圖對比可知，鎖相紅外熱成像顯微鏡結(jié)果圖雜點較少，且結(jié)果以熱點方式呈現(xiàn)，相較OBIRCH結(jié)果更為直觀精確。

 案例二

鎖相紅外熱成像封裝漏電定位的優(yōu)勢體現(xiàn)

某芯片經(jīng)高溫蒸煮可靠性試驗后在功能測試時端口漏電流超標(biāo)，需要對漏電通道進(jìn)行定位。將樣品進(jìn)行功能鎖相紅外熱成像測試，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：加電條件下該端口與相鄰端口引腳間存在熱點，漏電流大小為25µA。熱點定位結(jié)果如圖5所示。

圖5 熱點定位結(jié)果

對定位結(jié)果進(jìn)行成分檢查發(fā)現(xiàn):紅外熱點位置存在Sn元素。端口間金相及EDS能譜圖如圖6、7所示。

圖6 樣品端口間金相放大形貌

圖7 紅外熱點位置SEM放大形貌及EDS能譜圖

在該案例可見，鎖相紅外熱成像顯微鏡對芯片封裝的漏電流路徑具有優(yōu)秀、精確的表征效果。

4、 總結(jié)

鎖相紅外熱成像技術(shù)在失效分析領(lǐng)域中的應(yīng)用是失效分析行業(yè)中的重大創(chuàng)新，因其低噪聲，高精確度，高效率的優(yōu)勢。在板級至芯片級的元器件無損失效分析領(lǐng)域能提供至關(guān)重要的信息幫助。同時，OBIRCH和鎖相紅外熱成像顯微鏡在失效分析流程中的共同應(yīng)用能更好地確認(rèn)失效位置，幫助失效分析工程師制定更好的實驗方案。除此以外，鎖相紅外熱成像顯微鏡利用相位信息在微米級深度定位功能方面還存在著開發(fā)研究的可能性，該功能未來將在多層存儲器芯片或者先進(jìn)封裝器件的失效定位中有著巨大的應(yīng)用前景。