副標(biāo)題： Thermo Scientific™ ELITE 系統(tǒng)在半導(dǎo)體失效分析中的高精度熱成像應(yīng)用

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發(fā)布日期：2025年7月31日
作者：森德儀器/應(yīng)用技術(shù)部
儀器類別：分析儀器、檢測(cè)設(shè)備
閱讀時(shí)間：約8分鐘
關(guān)鍵詞：鎖相紅外熱成像、LIT、熱光發(fā)射顯微、熱點(diǎn)定位、漏電分析、失效分析、半導(dǎo)體測(cè)試、森德儀器、ELITE系統(tǒng)

摘要

隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)不斷微縮、三維集成技術(shù)快速發(fā)展，器件內(nèi)部的缺陷檢測(cè)和失效分析面臨的挑戰(zhàn)。局部漏電、微短路等缺陷通常伴隨著微弱的熱信號(hào)，如何在復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)中精確定位這些熱點(diǎn)，成為半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)介紹Thermo Scientific™ ELITE系統(tǒng)基于鎖相紅外熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的熱光發(fā)射顯微解決方案。該系統(tǒng)采用獨(dú)特的鎖相探測(cè)技術(shù)，通過非接觸測(cè)量方式，可在幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)<1 mK的溫差分辨率，并支持封裝狀態(tài)下的三維堆疊裸片分析。結(jié)合其無限制數(shù)據(jù)累積時(shí)間的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，ELITE系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)極低功耗故障引起的微弱熱信號(hào)，為半導(dǎo)體器件中的熱點(diǎn)定位提供精確的導(dǎo)航。文章詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的技術(shù)原理、性能特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景分析其在封裝失效分析、低功耗漏電定位、功率器件熱管理和工藝缺陷篩查等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)原理與系統(tǒng)特點(diǎn)

鎖相紅外熱成像技術(shù)是一種基于熱輻射原理的非接觸式溫度測(cè)量技術(shù)。當(dāng)半導(dǎo)體器件中存在缺陷時(shí)，局部功率損耗會(huì)導(dǎo)致溫度異常升高，這些微小溫差通過紅外輻射形式釋放。ELITE系統(tǒng)采用鎖相探測(cè)技術(shù)，通過向器件施加周期性電激勵(lì)信號(hào)，同步檢測(cè)熱輻射信號(hào)的頻率和相位信息，顯著提升信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱熱信號(hào)的精確提取。

核心技術(shù)創(chuàng)新與性能特點(diǎn)

1. 極限溫度靈敏度與分辨率
   ELITE系統(tǒng)采用的InSb中波紅外探測(cè)器和優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)，在常規(guī)工作模式下幾秒內(nèi)即可達(dá)到<1 mK的溫差分辨率。通過獨(dú)特的信號(hào)處理算法和長時(shí)間累積測(cè)量，系統(tǒng)靈敏度可進(jìn)一步提升至<10 μK水平，能夠檢測(cè)微瓦級(jí)功耗引起的溫升變化。這一性能指標(biāo)在同類產(chǎn)品中處于先地位，為納米級(jí)缺陷檢測(cè)提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2. 三維堆疊結(jié)構(gòu)的穿透分析能力
   針對(duì)2.5D/3D IC、Chiplet等封裝結(jié)構(gòu)，ELITE系統(tǒng)優(yōu)化了中波紅外探測(cè)波段和光學(xué)路徑設(shè)計(jì)，能夠有效穿透多層封裝材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆疊芯片內(nèi)部不同深度熱源的精準(zhǔn)定位。系統(tǒng)支持X、Y、Z三個(gè)維度的熱源深度識(shí)別，解決了傳統(tǒng)熱成像技術(shù)難以分析隱藏缺陷的技術(shù)難題。

3. 突破性數(shù)據(jù)采集架構(gòu)
   與傳統(tǒng)LIT系統(tǒng)不同，ELITE系統(tǒng)采用了獨(dú)特的硬件架構(gòu)和信號(hào)處理方案，突破了高頻鎖相測(cè)量時(shí)信號(hào)衰減的限制。系統(tǒng)支持無限制數(shù)據(jù)累積時(shí)間，用戶可以根據(jù)需要任意延長采集時(shí)間，在不犧牲靈敏度的前提下獲得更高的空間分辨率。這一特點(diǎn)對(duì)于檢測(cè)弱故障模式和低功耗漏電尤為重要。

4. 靈活的光學(xué)配置方案
   系統(tǒng)配備六位物鏡轉(zhuǎn)輪，提供從28mm廣角鏡頭到10x高倍顯微物鏡的全系列定制化MWIR鏡頭。結(jié)合640×512像素、15μm像元尺寸的InSb探測(cè)器，系統(tǒng)可在單次配置中實(shí)現(xiàn)從宏觀樣品定位到微觀熱點(diǎn)觀察的無縫切換，有效放大倍率可達(dá)20倍，滿足不同尺度樣品的分析需求。

應(yīng)用場(chǎng)景與案例分析

主要應(yīng)用領(lǐng)域

1. 封裝結(jié)構(gòu)的失效分析

• 應(yīng)用場(chǎng)景：隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)向2.5D/3D方向發(fā)展，硅通孔、混合鍵合、微凸點(diǎn)等互連結(jié)構(gòu)的失效分析成為技術(shù)難點(diǎn)。特別是當(dāng)這些缺陷位于封裝體內(nèi)部時(shí)，傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)試難以精確定位。

• 技術(shù)要求：需要具備穿透多層材料的能力，能夠識(shí)別不同深度熱源的精確位置，并對(duì)微弱熱信號(hào)保持高靈敏度。

• 森德儀器的適配性：ELITE系統(tǒng)的三維熱源定位能力，可精確定位TSV孔洞、鍵合界面分層、微凸點(diǎn)開裂等缺陷位置，為后續(xù)的FIB截面分析提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)指引。系統(tǒng)支持封裝狀態(tài)下的分析，無需破壞樣品完整性，大幅提高分析效率。

2. 低功耗漏電與弱故障檢測(cè)

• 應(yīng)用場(chǎng)景：在工藝節(jié)點(diǎn)下，晶體管漏電流、柵氧化層缺陷等故障通常僅產(chǎn)生微瓦級(jí)功耗，對(duì)應(yīng)的溫升變化極小。如何在復(fù)雜的電路環(huán)境中精確定位這些微弱熱源，是失效分析領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)。

• 技術(shù)要求：需要的溫度靈敏度和信噪比，能夠檢測(cè)μW級(jí)功耗引起的溫升，同時(shí)具備區(qū)分相鄰熱源的能力。

• 森德儀器的適配性：ELITE系統(tǒng)<10 μK的溫度分辨率，配合其無限制數(shù)據(jù)累積功能，能夠有效提取極微弱的熱信號(hào)。系統(tǒng)的高空間分辨率可區(qū)分相鄰微米級(jí)的發(fā)熱點(diǎn)，為邏輯電路中的單個(gè)晶體管漏電定位提供可能。

3. 功率器件熱管理與可靠性評(píng)估

• 應(yīng)用場(chǎng)景：功率半導(dǎo)體器件如IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT等在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生顯著熱效應(yīng)，局部過熱可能導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。準(zhǔn)確的熱分布分析和熱點(diǎn)定位對(duì)器件設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要。

• 技術(shù)要求：需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)溫度變化，支持不同放大倍率下的熱成像觀察，并具備寬溫度范圍測(cè)量能力。

• 森德儀器的適配性：ELITE系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)鎖相測(cè)量，可在器件工作狀態(tài)下捕捉瞬態(tài)熱分布。系統(tǒng)提供從宏觀熱場(chǎng)觀察到微觀熱點(diǎn)分析的全尺度解決方案，結(jié)合其寬溫度范圍測(cè)量能力，全面評(píng)估功率器件的熱性能。

4. 工藝缺陷快速篩查與質(zhì)量控制

• 應(yīng)用場(chǎng)景：在半導(dǎo)體制造過程中，需要對(duì)晶圓級(jí)或封裝后器件進(jìn)行快速缺陷篩查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝偏差和設(shè)備異常，提高生產(chǎn)良率。

• 技術(shù)要求：需要快速、非破壞性的檢測(cè)方法，能夠批量處理樣品，并提供定量化的熱分析數(shù)據(jù)。

• 森德儀器的適配性：ELITE系統(tǒng)的非接觸測(cè)量特性和快速成像能力，使其適合在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行在線或離線缺陷檢測(cè)。系統(tǒng)提供定量化的溫度數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化的分析流程，可建立工藝缺陷的熱特征數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)智能化質(zhì)量監(jiān)控。

附錄與參考資料

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

• JEDEC JESD51-51 《集成電路熱測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》

• SEMI MF1726 《用于失效分析的半導(dǎo)體器件去封裝和樣品制備指南》

• IEC 60749 《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法》

• GB/T 35009-2018 《半導(dǎo)體器件 微機(jī)電器件 MEMS 失效分析》

• ASTM E1543 《紅外熱成像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐》

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關(guān)于廣東森德儀器有限公司

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