（微电子学与固体电子学专业论文）基于红外热分析技术的半导体功率器件质量评价方法.pdf

摘要 摘要 任何温度高于绝对零度( o k ) 的物体，都在不停地进行红外辐射。红外 测温是根据物体的红外辐射能和物体本身材料特性所决定的辐射系数来 探测其准表面温度的一种方法。红外测温技术应用于微电子学方向，在 电子电路、半导体元器件、功率模块的失效定位和可靠评价上发挥极其 重要的作用。 大功率器件的失效主要是由热问题引起的。作者利用建立各类功率 器件标准热分布图( s t p ) 的方法，某类功率器件的红外热分布图与对应型 号的标准热分布图进行对比，可以快速、有效地判断其可靠性水平，提 前发现已接近故障状态的器件，避免军用装备在关键时刻的突然故障。 以3 d d 5 h 和3 d d l l 4 b 两类军品级低频高反压大功率晶体管为例， 在温度循环和热冲击两种可靠性试验条件后电参数仍然符合详细规范中 的要求，但焊料与底座已出现明显空洞，导致热阻增大，结温升高并且 分布不均匀，热集中处正是对应于焊料与底座的空洞，因此用红外热分 析方法比简单探测器件空洞的方法更能突出问题的关键所在。在经过加 电热冲击后，器件发生二次击穿，击穿点位于发射极边缘部位，说明是 由于正偏状态下，正偏二次击穿临界电压随温度的升高而减小，发射极 电流集边，致使二次击穿发生。但饱和压降并没有明显增大现象，这是 由于存在高掺杂低阻衬底所致。 在红外热分析和故障诊断的基础上，为满足微电子器件微细化和高密 度化的发展要求，利用数字图像处理技术中的各种插值方法对红外热分 布图进行改善，插值后进行对比，发现双向三次样条插值方法较双向三 次插值( 三次卷积法) 连续，图像更加锐利，边缘过渡更加平滑。经验 证在温度低于l o o 时插值效果较好，误差不超过0 5 ，与未插值时准 确度提高了3 5 9 ；当温度达到1 2 0 时，插值效果变差，误差达到13 ，但比未插值时准确度提高了4 1 7 关键词：红外热分析标准热分布图( s t p ) 图像处理 a b s t r a c t a n y t h i n gc a nr a d i a t ei n f r a r e di fi t st e m p e r a t u r ei sa b o v ea b s o l u t ez e r o i n f r a r e dd e t e c t i n gt e m p e r a t u r ei sam e t h o dw h i c hi sb a s e do b j e c t si n f r a r e d r a d i a t i o na n de m i s s i o nd e t e r m i n e db yi t sm a t e r i a lc h a r a e t e r i s t i c i n f r a r e d d e t e c t i n gt e m p e r a t u r ep l a y a i m p o r t a n t r o l ei nf a i l u r e p o s i t i o n a n d r e l i a b i l i t ye v a l u a t i n ga tc i r c u i t s ，d e v i c e sa n dp o w e rm o d u l e s f a i l u r eo fp o w e rd e v i c e si n d u c e dm a i n l yb yo v e rh e a t c o m p a r i n g t h e r m a lp r o f i l eo fo n ed e v i c ew i t hs t a n d a r dt h e r m a lp r o f i l e ( s t p ) ，w ec a n e v a l u a t ei t sr e l i a b i l i t yq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y ，a n df i n dt h ea p p r o a c hf a i l u r e o fd e v i c e s s u d d e n l yf a i l u r eo fo u rm i l i t a r ye q u i p m e n tc a nb ea v o i d e d a f t e rr e l i a b i l i t yt e s to ft e m p e r a t u r ec y c l ea n dt h e r m a li m p a c t ，t h e e l e c t r i c sp a r a m e t e ro ft w op o w e rt r a n s i s t o r3 d d 5 ha n d3 d d l1 4 bw i t hl o w f r e q u e n ta n dh i g hb i a sv o l t a g ei ss t i l le l i g i b l e ，b u tt h e i rs o l d e ra n dp e d e s t a l h a sal o to fh o l l o w a f t e rr e l i a b i l i t yt e s to ft h e r m a li m p a c ta p p l y i n gp o w e r ， s e c o n db r e a k d o w nt a k e p l a c ei n t h ed e v i c e a sf o r w a r db a s es t a t e ，t h e c u r r e n ti sc o l l e c t i n ga tt h ee d g eo fe m i t t e ra n dt h eb r e a k d o w np o i n tw a s f o u n di nt h e r e b e c a u s eo fh i g hd o p i n gu n d e r l a y ，t h ev c e so fd e v i c ed o n t i n c r e a s eo b v i o u s l y u s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，i n f r a r e dt h e r m a lp r o f i l e c a nb e i m p r o v e d c o m p a r i n gt ot h eb i c u b i ci n t e r p o l a t i o n s ，t h em e t h o do f s p l i n ei n t e r p o l a t i o ni sb e t t e r i m a g ei sp r o c e s s e db yt h ef o r m e rc a nb em o r e c o n t i n u o u s l y ，s h a r p l y a n di t sb r i m t r a n s i t i n g m o r e s m o o t h l y w h e n t e m p e r a t u r ei sb e l o w1 0 0d e g r e e ，t h ee r r o ro fi n t e r p o l a t i o nt e m p e r a t u r ei s l e s st h a n0 5 d e g r e e ，t h ev e r a c i t y i s i m p r o v e d 3 5 9 p e r c e n t w h e n t e m p e r a t u r ei sa b o u t12 0d e g r e e ，t h ee r r o ro fi n t e r p o l a t i o nt e m p e r a t u r ei s l e s st h a nl3d e g r e e ，t h ev e r a c i t yi si m p r o v e d4 1 7p e r c e n t k e yw o r d s ：i n f r a r e dt h e r m a la n a l y s i s ，s t p ，i m a g ep r o c e s s i n g 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示 了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 论文作者签字：秋灰纤 指导教师签字： 年占月币 第一章绪论 第一章绪论 1 。i 红外热分析发展概况 微电子元器件正向着大功率、高频和高集成度( 小元件尺寸) 的方向 发展”。1 。器件在通电工作过程中会发热。由于芯片各部位的电流强度不 等，芯片表面的温度不同，正常芯片表面应有合理的温度分布，这是由 芯片的热设计决定的。元器件热设计不当、材料缺陷、工艺差错等都会 造成器件内部温度分布的异常”1 。功率器件的性能失常和故障点通常是过 热引起的。有时局部小区域温度会比平均温度高出很多( 即热点) 。这些 现象都会直接影响器件的性能和寿命，这是影响器件可靠性的重要因素。 测定器件管芯的热分布和热点是器件可靠性设计、可靠性评价和失效分 析的重要环节。接触式测温，探头不易改变探测点，难以获得芯片表面 温度分布，并可能改变被测点的温度而造成测量误差。而红外热像法是 一种非接触的测温技术，测量过程中不会改变被测器件的热状态，因而 测量精度较高。为测量高频器件的瞬态温度分布，探测器必须具有高的 取样速度。为测量高集成度器件的温度分布，仪器必须具有高的空间分 辨率和温度分辨率。 显微红外热像仪是一种直接测量物体表面温度及温度分布的分析仪 器，其基本原理是通过探测物体向外辐射的能量，再根据物体的辐射系 数以及辐射能量与物体表面温度的对应关系，推算出物体表面的实际温 度，它将物体的热分布转换为可视图像，并在监视器上以灰度级或伪彩 色显示出来，从而得到被测目标的温度分白场。因此，根据被测样品的 表面温度分布结果，可以直接发现异常的热点或热区，判断样品是否存 在缺陷，并对定位后的缺陷部位进行分析。 电子元器件是整机的基础，在装备的生产和使用过程中，元器件都 可能由于这样那样的原因而工作不正常并进而影响装备的正常运行如 何提前发现已接近故障状态的元器件，从而防患未然，避免军用装备在 广东丁业大学工学硕士学位论文 关键时刻的突然故障；元器件发生故障时，如何迅速、准确地进行失效 定位和故障诊断，并提出避免故障再次发生的改进措施，从而保证电子 装备的正常运行。因此，需要研究开发快速、方便有效、非接触式的元 器件质量评价方法。红外及热成像技术不断发展，借助高性能热像仪及 数字图像处理技术，可以用于快速检测电路板或电子元器件故障。电子 设备在通电激励状态下，耗能电子元器件如电阻、集成电路等都将发热， 具有一定的温度，并产生红外辐射，用红外热像仪采集电路产生的热辐 射形成的热像，通过观察、分析电路热像变化可以探测和定位电路故障”l 。 国外应用红外技术检测电气设备故障始于六十年代中期，七十年代开始 把热像仪装在面包车或直升机上对变电站设备或高压输电线路连接件故 障做巡回检测，并分别制订出相应的技术规范或红外诊断故障判定标准。 1 9 9 0 年国际大电网会议( c 1 6 r e ) 上充分肯定了电力设备故障红外诊断技 术，并指出该技术在电力设备从传统的预防性故障检修体制向先进的预 知性状态维修体制发展中将发挥重要作用。七十年代国外开始应用显微 热像仪( 红外显微镜) 直接观测硅集成电路缺陷和焊接情况。8 0 年代，美 国在使用热成像技术对电路扳进行故障检测与隔离方面有了较大的发 展。如休斯航空公司设计的a i t i s ( a u t oi n f r a r e dt e s ta n di n s p e c t i o n s y s t e m ) 和美军测试、测量和技术办公室( a t t o ) 开发的i r a m s ( i n f r a r e d a u t om a s s s i f ts y s t e m ) 系统，对热模式故障具有很强的诊断能力。八十 年代中期，利用红外热像评价印刷电路板及其它电子组件性能，以每个 组件的标准热图作为快速自动探测和诊断所有组件缺陷的基础并迅速得 到应用。 现有的对功率器件进行故障检测的方法存在诸多不完善之处。传统 的表面涂黑漆红外检测方法已经不适用于现代先进的显微红外热像仪进 行检测。取而代之现代的显微红外热像仪上用的检测方法，主要有：单温 法、双温法和辐射率较准法。这三种方法可以直接把样品放到控温台上 加上合适的台温即可测温，大大提高的测温精确性。军用晶体管多功能 快速筛选测试系统只是以测试器件的电参数作为考核标准，并未对其热 分布进行考核，器件在长期通电情况下其热性能可能变坏，热分布会变 得越来越不均匀最终失效；而晶体管热阻仪虽然能测出晶体管的结温， 2 第章绪论 但只是晶体管的平均结温，峰值结温可能与平均结温偏差很大，特别是 在高电压小电流下工作的晶体管热分布将更加不均匀，并且也不能进行 热点定位；现有的红外热分析用于电路板级的热点定位和故障诊断较多， 用于器件芯片级的热点定位和故障诊断较少，其原因主要是目前的显微 经外热像仪的空间分辨率较低，与高集成度的器件尺寸还有一、两个数 量级的差距，应用红外热分析还有些困难，其二是红外热像仪更多是用 于模块级的热分布检测、各模块在电路板上的热分布和相互间的影响。 但芯片级的热分布问题也同样突出，特别是大功率器件，热失效是其主 要的失效模式，但是缺乏有效的预测手段和诊断方法。 本文正是为克服上述不足，为满足迫切的实际需求，在芯片级上进 行显微红外热分析和建立质量评价方法，作为一种全薪、简单、便捷和 快速的质量评价手段。以后对于同型号器件可以用同样的方法不断地进 行更新和完善；对于其他类型的半导体功率器件也可以用同样的方法建 立其对应的标准红外热分布图，最终可以建立起标准红外热分布图库并 上升为标准。并在此基础用数字图像处理技术对显微红外热分布图进行 改善，提高其空间分辨率和温度分辨率，来完成更精密的定位和诊断。 1 2 论文的课题来源及章节安排 课题来源于国家“十一五军用电子元器件可靠性技术”项目，目的 是： ( 1 ) 可靠性基础技术研究； ( 2 ) 检测分析技术研究； ( 3 ) 为元器件可靠性提供保障。 本文以下章节组织结构和内容如下： 第二章简述了红外检测技术，从红外辐射原理( 黑体概念、基尔霍夫 定律、斯蒂芬一玻尔兹曼定律、维恩位移定律) 、红外辐射的探测出发， 说明了利用红外辐射检测电路和电子元器件故障的可行性。并简述了现 代显微红外热像仪所有的三种检测方法：单温法、双温法和辐射率较准 法 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章介绍了i n f r a s e o p e 红外热像仪的基本原理、性能、技术指标以 及应用。 第四章从热应力的来源和热应力失效表现出发，描述了双极型功率晶 体管热失效及其机理，并对大功率晶体管管芯结构作了分析。 第五章描述标准红外热分布图的建立过程并基于标准红外热分布图 初步建立起质量评价方法，对所选用两类双极型大功率晶体管逐渐产生 热失效的过程与标准热分布图进行比较，并用显微红外热像仪对其进行 失效定位和故障诊断。 第六章讲述了对显微红外热分布图进行改善的方法，从而大大提高了 其空间分辨率和温度分辨率，扩大其应用范围，加强了探测效果。 第七章结论总结了整个红外热分析的过程和红外热分布图改善后的 评价。 4 第二章红外检测技术 第二章红外检测技术 2 1 红外辐射基础知识 18 0 0 年英国物理学家f w 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时发现 了红外线，至今己有二百年的历史。赫胥尔把加热物体的射线称为热辐 射。红外线辐射是自然界存在的一种广泛的电磁波辐射，研究表明，红 外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源众所 周知，物质是由原子、分子组成的，它们按一定的规律不停地运动着， 其运动状态也不断地变化，因而不断地向外辐射能量，这就是热辐射现 象。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大；反之，辐射的能量愈 小。红外线辐射的能量可用物体表面的温度来度量，辐射的能量愈大， 表明物体的表面温度愈高：反之，表明物体表面的温度愈低。由此可见， 红外辐射的物理本质是热辐射，这种辐射的量主要由这个物体的温度和 材料本身的性质决定，特别是热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的 温度，也就是说，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。任 何温度高于绝对零度( o k ) 的物体，都在不停地进行红外辐射，所以红外辐 射还称为热辐射( t h e r m a lr a d i a t i o n ) 。红外辐射( i ri n f r a r e dr a d i a t i o n ) 实 际就是波长为0 7 6 1 0 0 0 p m 的电磁波。由于o 7 6 1 0 0 0 p m 波长的波段 位于可见光和微波之间，并且比红光的波长更长，所以红外辐射也称为 红外线川。从图2 1 中可清楚地看出，红外辐射在电磁辐射波长范围内所 处的位置。 广东= r = 业大学t 学硕士学位论文 图2 1 红外辐射波长范围 搜长豇) f i g 2 1 t h er a n g eo fi n f r a r e dw a v e l e n g t h 2 2 红外检测原理 2 2 1 红外辐射几个基本定律 2 2 1 1 普雷夫定则 在单位时间内，如果两个物体吸收的能量不同，则它们发射的能量也 应不同。这个能量交换的条件称为普雷夫定则。 在1 8 0 9 年出现的普雷夫定则，它确定了物体吸收热量的本领和发射 热量的本领之间的关系，但是它只是一个定性的规律。半个世纪后，即 18 5 9 年，基尔霍夫使这个定律有了严格的定量形式。 2 2 1 2 基尔霍夫定律 在整个热辐射问题里，基尔霍夫定律是一个最基本的定律。 基尔霍夫定律所涉及到的两个量，一个是物体的发射本领，一个是物 体的吸收本领。 由于红外辐射是一个波谱区域很宽的辐射，因而物体的发射本领与波 长有关。实验证明，物体的发射本领也与物体的温度有很大关系，因此 6 第二章红外检测技术 物体的发射本领是波长和温度的函数。 物体的吸收本领是这样定义的：物体吸收的辐射功率与到达该物体的 总辐射功率之比，称作该物体的吸收本领，也叫“吸收系数”或。吸收 比”。当然，物体的吸收本领也是波长和温度的函数。对于在任何温度下， 在任何波长上吸收本领恒为l 的物体，基尔霍夫把它称作绝对黑体，简 称为“黑体”。如煤烟、铂黑和黄金黑等物体的性质都近似于黑体。 基尔霍夫定律可用语言表述如下：物体的发射本领m x t 和吸收本领 a x t 的比值与物体的性质无关，该比值对所有物体来说是波长和温度的普 适函数。这个普适函数不是别的，它正是绝对黑体的发射本领。这个定 律的内容也可简述为善于发射的物体必善于吸收，善于吸收的物体必善 于发射。在一定温度下，各种良吸收体( 如金属的氧化物、碳等) 所发 射的光谱成分大致相同，而且发射本领比较大。 基尔霍夫定律是一个极其普遍的定律，它告诉我们任何强烈的吸收系 统必发出强烈的辐射。至于这个强烈的吸收是由物体表面性质决定，还 是整个系统的构造决定，是毫无关系的。根据这个原理我们可以做成与 绝对黑体性质非常相似的物体，如人工空腔容器。 2 2 1 3 斯忒藩一玻耳兹曼定律 基尔霍夫定律提出了红外辐射中所注意的中心问题，但黑体发射本领 的具体函数形式才是根本。首先寻求黑体对所有波长的总发射本领与温 度的关系，在1 8 7 9 年，斯蒂芬亲自测量，同时分析了其他研究者的测量 数据，他得出了结论：黑体的总辐射本领m b t 与其热力学温度t 的四次 方成正比，即 m 6 ，= 【帆( 五，丁) 掀= o t 4 ( 2 1 ) 式中，m 。，一一温度为t 黑体的总辐射本领( w c m 2 ) ； o 斯忒藩一玻尔兹曼常数，其值近似为 5 6 7 3 1 0 2 w ( c m 2 k 4 1 ； t 一一黑体的热力学温度( k ) ； 7 广东t 业大学t 学硕士学位论文 九一一波长( m ) 。 在1 8 8 4 年，玻尔兹曼从理论上证明了绝对黑体的总辐射本领与其热 力学温度的四次方成正比。后来称此定律为斯忒藩一玻尔兹曼定律。 在红外技术中，斯忒藩一玻尔兹曼定律是一个很有用的定律。 2 2 1 4 维恩位移定律 斯忒藩玻尔兹曼定律仅涉及到了黑体的积分发射本领，而没有谈到 黑体的光谱分布，即没有涉及基尔霍夫定律提出的普适函数的性质。1 8 9 3 年，维恩对普适函数的性质作了一些研究，他的理论指出：黑体发射本 领的表达式中，辐射的频率与温度应以比值的方式出现。这样一个结果 就预示了这个普适函数的某些性质。通过一些精确的测量可以得出函数 黑体发射本领m b ( 九，t ) 的曲线。它表明了黑体发射本领m b ( 丸，t ) 对每一个 温度都有一个极大值，其最大值的位置随温度升高向短波方向移动。 我们利用维恩位移理论结果，可以得出辐出度最大值所对应的波长 k ，与温度t 的关系，而且理论结果与实验结果相符合。经过进一步的理 论推导，可得出以下结论： k r = 6( 2 2 ) 其中b 是与温度无关的常数。这一结论和上述的实验曲线结果相同， b 的近似值是o 2 8 9 7c m k 。式( 2 2 ) 称作维恩位移定律，它表明：黑体辐 出度最大值的位置随温度升高而向短波方向移动。还可以证明，在波长 从0 丸之间的辐出度为全部辐射的2 5 。 2 2 1 5 普朗克定律 在1 9 0 0 年，普朗克突破了经典理论的束缚，提出了量子假设。在这 个量子假设的前提下，得出了黑体辐射的普朗克公式，其形式为 m b ( 2 ，d = c 1 2 - 5 e 。“一l 】- i( 2 3 ) 式中，c l 一一第一辐射常数3 7 4 1 0 i6 ( w 1 3 3 2 ) ； c 2 一一第二辐射常数1 4 4 x l o 五( m k ) ； t 一一黑体热力学温度( k ) 。 8 第二章红外榆测技术 普朗克公式的理论结果与实验结果非常准确地相符，因而到普朗克公 式的出现，才圆满解决了基尔霍夫定律提出的根本问题。这一公式在红 外辐射中占有重要地位。 2 2 2 红外辐射对实体的作用 真实物体不可能在广阔的波长范围内遵守上述这些黑体的辐射定 律，其仅在一定的光谱间隔内可能接近黑体。当红外辐射到达物体表面 时，一般要产生三种现象：透射、吸收、反射，即入射辐射的一部分可 以被吸收，一部分可以被反射，一部分可以被透射，这三种过程使真实 物体不可能起到黑体的作用。设入射功率为只，透射功率为只，吸收功率 为只，反射功率为只，则 e = 只+ 只+ 只。( 2 4 ) 从上述可知，透射功率与入射功率之比是透射率f ，吸收功率与入射 功率之比是吸收率a ，反射功率与入射功率之比是反射率p 。式( 2 4 ) 两边 同时除以只，由此得到 透明体的透射率f = l ，a + p = o ； 不透明体的透射率f = o ，则a + p = 1 。通过此公式可以看出，不透明体 的吸收能力和它的反射能力呈相反的关系，即吸收能力强的物体其反射 能力必定弱，反之，反射能力好的物体其吸收能力必定差。 对于高抛光材料，可以认为其反射率d = l ，而吸收能力为零，透射能 力也为零。根据基尔霍夫定律，吸收能力差的，其辐射能力也差。 当透射率和反射率均为零时，即t = o ，p = o ，该物体既不透明，也没 有反射能力，即它的吸收率旺= 1 ，吸收能力最大。吸收能力最好的也就是 辐射能力最好的物体，这就是“黑体”。黑体的吸收率a = 1 ，而它的辐射 率8 = 1 。 普朗克公式已经完全解决了黑体辐射的问题，然而实际物体都不是黑 体，那么怎样确定实际物体的红外辐射问题呢? 很自然我们想到基尔霍 夫定律，即 9 广东工业大学工学硕十学位论文 m x r ：帆( a ，d 口 ( 2 6 ) 从该定律可知，实际物体的发射本领m l t 为 一1 ，盯= 口盯 以( 五，r ) = 口盯号 ( 2 7 ) p 嚣一1 因此，如果我们知道了实际物体在某温度、某波长下的吸收本领a l ， 则可通过基尔霍夫定律和普朗克公式确定该物体在这个温度和波长下的 发射本领m x t ( 当然，这个发射本领仅是物体自身发出的，不包括反射的 辐射) 。 但是，并不是在所有情况下都这样解决实际物体的热辐射问题。因为 实际物体的辐射必须看成是由两部分组成的：一部分是物体自身发出的 辐射，另一部分是反射来自其他物体的辐射。正因为如此，发射率或辐 射率( 即辐射系数，又称黑度) 既考虑了物体自身发出的辐射，也考虑 了物体反射来自其他物体的辐射。所谓发射率就是在同一温度和同一波 长下，来自物体的总辐射( 包括反射和辐射) 与黑体辐射之比。从而可 知，从理论和实验上确定物体的发射率，是解决非黑体辐射问题的关键。 自然界一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都在辐射出具有载体 特征信息的红外辐射。斯忒藩一玻耳兹曼定律指出，从物体表面辐射出 的全部能量由物体的热力学温度和发射率决定。焦尔一楞次定律告诉我 们：任何有一定阻值的电子元件，当其通过一定的电流时就要消耗功率， 引起元件温度升高，其中相当一部分热量将转化为红外辐射的形式散发 出去。当电路板通过插件板初始输入端加上电源或施加激励后，用红外 热成像就可以看见板上电路板产生的红外辐射，电路板的热辐射表征了 其电气状态和电路结构特性。一旦电路板发生故障，通常板上元件的功 耗也会变化，从而改变电路板插件板的红外热像，通过观察和分析热像 的变化就可以检测和定位电路的故障。红外热成像为测试人员提供了一 种独特的电路板测试方法，通过一次光机扫描成像，即可获取板上每个 电路板的功耗值，并变成可视信息供测试人员进行故障诊断。 1 0 第二章红外检测技术 2 3 红外检测技术研究 传统的红外检测方法已经不适用于现代先进的显微红外热像仪进行 检测。在国军标5 4 8 a 9 6 方法1 0 1 2 热性能中指出，在用红外检测时在 芯片的有源区域应均匀涂上一薄层( 2 5 5 0 1 t i n ) 已知高辐射系数( e 0 8 ) 又是低导热的材料，如黑漆。涂黑漆法破坏了有源区表面，使得芯片无 法再进行其他后续检测，如在显微镜下观察芯片有源区，给失效分析带 来了不便。 现代的红外检测方法主要有：单温法，双温法和辐射率较准法”。”。 这三种方法都不需要在芯片有源区上涂黑漆，直接把样品放到控温台上 加上合适的台温即可，大大提高的测温精确性。 2 3 1 单温法原理 不考虑环境辐射和反射的影响，由斯忒藩一玻尔兹曼定律可知： 札= 盯盯4( 2 8 ) 其中n e 是温度为t 物体的总辐射本领，o 为斯忒藩一玻尔兹曼常数， 为物体的辐射系数，t 为物体温度。即物体的总辐射本领是相同温度下 黑体的总辐射本领与物体的辐射系数的乘积。如下所示： n h = e n q 9 、 在温度t i 下测出器件的总辐射本领n m l 即r l ，对应黑体的总辐射本 领为n b s l ，则 墨= l = 州 ( 2 1 0 ) p = r i i ( 2 1 1 ) 在温度t i 下给待测器件加上电功率，器件相应的总辐射本领r 。， 对应黑体的总辐射本领为n b b ，。，则 足p = d o ( 2 1 2 ) 脚脯= r ，p ( 2 13 ) 则可得出对应黑体的总辐射本领 帅= 置，朋l ，墨 ( 2 1 4 ) 再由。= 0 7 4 可得出待测器件在加上电功率后的实际表面温度。 广东t 业大学工学硕士学位论文 2 3 2 双温法原理 考虑到环境反射影响，如下图所示： 物体表面特性 e = 发射率o = 反射率 f = 透射率+ d + f = l 面总能量 ( n r ) ( n t ) ( n e ) 只有辐射能量n c 才与物体表面温度有关 图2 - 2 物体辐射能量分析 f i g 2 - 2 t h ea n a l y s i so ft a r g e tr a d i a n t e 由斯忒藩一玻尔兹曼定律可知： = 吐k + ( 1 一p ) 以 ( 2 15 ) 其中n a 是周围环境总的辐射本领，假定其为恒定值，则在温度t l 下和温度t 2 下分别测出待测器件的总辐射本领，为r l 和r 2 ，则： 墨= “i = 小k l + ( 1 一p ) n a( 2 1 6 ) r 2 = _ l ，2 = e 2 + ( 1 一p ) ( 2 i7 ) p = ( r l r 2 ) “ ，一2 ) ( 2 18 ) 在样品台加热到t 3 温度下，测得待测器件的总辐射本领为， r o w = e 3 + ( 1 一e ) n a( 2 19 ) 并在此温度下对器件加电功率，测得其总辐射本领为： r 胛= e o + ( 1 一p ) - ( 2 2 0 ) 胄一r 口= p ( 炉一3 ) ( 2 2 1 ) 则该温度下黑体的总辐射本领为 1 2 第二章红外榆测技术 聊= 【( r 胖一r 胛) ，p 】+ 腓3 ( 2 2 2 ) 再由k = d r 4 可得出待测器件在加上电功率后的实际表面温度。 2 3 3 辐射率较准法原理 即是在已知某点或待测样品表面辐射系数的情况下，通常人工输入 的办法，最终得出感兴趣的点或面的实际温度值。 2 3 4 各种检测方法的优缺点 国军标关于热性能检测方法中的红外热像法已经不适用于现代先进 的红外热像仪检测技术，以前只能是检测出单一点的温度，现代的红外 热像仪已经可以做面阵式，通过一次扫描即可测出整个面的温度分布1 。 对于单温法测量，由于忽略环境反射的影响，可能给测量过程带来 误差，但是它可以等样品台温和待测器件表面的充分稳定后才进行测量， 这对准确测量也有贡献。 对于双温法测量，在考虑到环境因素的影响时，在进行第二个辐射 本领测量时只要样品台温达到设定值则立刻进行测量，这时候待测样品 可能并未达到设定值，削弱了测量的准确性，给测量引入误差。 对于辐射率较准法，必须完全知道感兴趣点的辐射系数才可用，得 出的结果是对辐射率较准后的点测量准确性较高，但对其他点则影响很 大，相当于由面阵测量退化到点测量。 2 4 红外检测的优点 红外热像仪在微电子产品的失效分析和热设计验证方面是一种方 便、有效的分析工具。与其它的热分析方法相比，如：间接的电学法和 定性的液晶法，红外热像仪更具有检测方便、无损、测量结果直观的特 点，尤其是在产品的动态热性能检测方面，有着不可替代的作用 芯片很小，热源更小，且分布不匀，有一定温度分布芯片热性能的 测试必须是非接触式和微区测量，可采用红外热分析。 半导体器件的工作情况及失效往往会通过热效应反映出来。器件的设 广东工业大学工学硕士学位论文 计不当、材料、缺陷、工艺差错等都会造成器件内部温度不均匀”。芯 片很小，热源更小，且分布不匀，有时局部小区域温度会比平均温度高 出很多( 即热点) 。这些现象都会直接影响器件的正常工作和寿命。测量芯 片表面的热分布，发现热点，纠正设计和工艺缺陷对提高产品质量和可 靠性有重要意义。接触式测温，探头不易改变探测点，难以获得芯片表 面温度分布，并可能改变被测点的温度而造成测量误差。为了不破坏器 件的工作状态和电学特性，测温必须是非接触的和微区测量，红外热像 仪正好能满足这些要求。 2 5 本章小结 简述了红外检测技术、红外辐射原理，从红外辐射的探测出发，说明 了利用红外辐射检测电路和电子元器件故障的可行性。比较现行国军标 中热性能检测中红外热像法与现代红外检测技术之间的差别，详细阐述 了单温法、双温法和辐射率较准法的检测原理及其优缺点。 1 4 第二章红外热像仪简介 第三章红外热像仪简介 3 1 仪器的基本结构 红外热像仪是一种直接测量物体表面温度及温度分布的分析仪器， 其基本原理是通过探测物体向外辐射的能量，再根据物体的辐射系数以 及辐射能量与物体表面温度的对应关系，推算出物体表面的实际温度。 因此，根据被测样品的表面温度分布结果，可以直接发现异常的热点或 热区，判断样品是否存在缺陷，并对定位后的缺陷部位进行分析。 美国e d o b a r n e s 公司生产的i n f r a s c o p e 红外热像仪，是应用于显微 热分析范围的热像仪，主要应用于微电子器件、微组装产品的热性能检 测，在目前国际同类产品中是较新型和先进的显微热像仪。 该热像仪由i n s b 面阵红外探头、显微支架、控温台，计算机、显示 器、打印机几部分组成。其中核心部位红外探头采用锑化铟材料的焦平 面阵列式( 1 6 0 1 2 0 f p a ) 多元探头的结构，检测时直接用液氮制冷，前 端可配置1 0 ，5 ，1 ，1 5 ，四个不同倍数的红外可见光学物镜， 其特点是空间分辨率高( 最高可达到5 p m ) ，取样速度快( 帧频达3 0 h z ) ， 这是面阵( f p a ) 探头与以往使用的单元式探头最大的区别。通过计算机 控制，经光学系统接收来自样品的红外辐射信号，并将其转换成电信号， 经放大器处理后，由终端显示器显示样品的热分布图。或由彩色打印机 打印输出；被测样品的壳温控制可以通过可编程控温器控制并显示；显 微光学系统的物镜可根据样品的大小或视场范围的要求选用4 个不同倍 数的红外、可见光合为一体的光学镜头，并由i n s b 探头和c c d 摄像头分 别接收其中红外和可见光的信号。 广东 业大学t 学硕士学位论文 图3 i 红外热像仪结构组成 f i g 3 - 1 t h es t r u c t u r eo fi n f r a s c o p e 用红外热像仪探测器件表面的温度如下图所示： 图3 - 2 红外热像仪测温示意图 f i g 3 - 2 t h es k e t c hm a po fi n f r a s c o p ed e t e c t so b j e c t st e m p e r a t u r e 从图中可知，被测器件( d u t ) 首先由控温台加热到初始设定温度值， 然后由显微红外热像仪进行探测，由已知温度下的辐射能量计算出被测 器件的辐射系数，最后样品加电，由探测得出的辐射能量和辐射系数计 算出被测样品加电后实际的温度分布。 1 6 第二章红外热像仪简介 3 2 主要性能和技术指标 i n f r a s e o p e 红外热像仪目前是国内首次引进，由于其独特的结构设计 和面阵式探头( f p a ) 以及良好的软件使用环境，与其它同类产品相比， 它具有更先进的性能和指标。 3 2 1 主要性能 ( 1 ) 可通过面阵探头一次性完成样品表面辐射信号的接收，无需按元 式探头进行逐点扫描，因此聚焦、取样速度快。 ( 2 ) 系统探头能自动校准，以修正探头各热敏元件的非均匀性，以及 黑体辐射能与相应温度的对应关系。 ( 3 ) 温度灵敏度高，测温范围大。 ( 4 ) 能直接逐点修正样品表面的辐射系数，给出系数分布图，避免表 面喷黑漆的做法，做到无损检测。 ( 5 ) 图像分辨率高，可交替观察可见、红外图像、进行图像叠加。 ( 6 ) 样品台可通过程序控制器自动控温，控温速度快、精度高。 ( 7 ) 在w i n d o w s 环境下使用，可充分利用多种分析工具进行图像处理。 3 2 2 主要技术指标 ( 1 ) 红外探头： ( 2 ) 频谱响应： ( 3 ) 测温范围： ( 4 ) 温度灵敏度： ( 5 ) 温度测量重复性： ( 6 ) 最大帧频： ( 7 ) 物镜参数： 1 6 0 1 2 0 i n s b l n z 冷却 1 5 5 5 “m 2 5 5 5 0 0 1 f 8 0 黑体) o 1 ( 8 0 黑体) 5 0 h z 1 7 妄奎三些奎耋：主要圭兰堡兰兰 物镜 空间分辨率视场范围工作距离景深 倍数 1 0 x5 u m o 8 0 6 m m1 9 c m 5 m 5 x1 0 u m1 6 1 2 m m 4 8 c m2 5 m l 5 0 m 8 6 m m3 0 c m6 9 0 u m 4 0 3 0 m m3 0 9 l c m l 5 3 2 5 2 5 0 6 0 0 i t m( 1 1 5 变焦 2 9 2 m m 1 2 0 9 0 m m 4 1 5 c m ) ( 8 ) 控温台参数： 控温精度 热泵能力 h e a t 控温台尺寸控温范围( 温控允许偏 p u m p l n g 差) c a p a c i t y 2 英寸18 1 2 0 士o 1 2 0 w 4 英寸 18 1 4 5 士0 1 1 0 0 w 3 3 基本操作程序和方法 ( 1 ) 操作程序： 开机一校准一放置样品一聚焦一辐射率修正一环境反射修正一样品 加负荷一温度测量 ( 2 ) 基本操作方法： 开机一一加液氮后，按规定的开机顺序打开计算机、红外系统、控温 台的电源开关。 校准一一分两次部分进行，红外探头面阵单元的均匀性校准，每天 一次；黑体辐射能与相应温度关系的校准，每月一次。使用标准平面 8 雠 吣 0e 数恤 参吖镜盱物删 l a n 盯 表叫 n3e bn 鲳 n毗盯砒 皴一 台他温h控九 旧表；m 盼 n卫拈 第二章红外热像仪简介 黑靶，按应用程序操作，自动校准。 放置样品一一使用导热膏和热夹具，将样品固定在控温台上，保证热 接触良好。 聚焦一一在检测要求的壳温条件下进行红外聚焦。 辐射率修正一一分别在己知温度t i 、t 2 条件下测出样品表面的辐射 能，进行辐射系数e 的修正。 环境反射修正一一在检测要求的壳温条件下，测出样品的辐射能，确 定环境的反射能量n a 。 样品加负荷一一按测量要求给样品加电负荷。 温度测量一一在所要求的壳温、电负荷条件下，测出样品的辐射能量， 自动给出表面温度分布。 3 4 使用环境条件及维护要求 i n f r a s c o p e 热像仪是用于显微热分析的仪器，因而为保证测量的准确 性，除规定的操作程序外，对使用环境及其维护都有特别的要求： ( 1 ) 使用环境温度2 0 2 5 ，相对湿度5 0 7 5 。 ( 2 ) 探测部分( 探头、光学系统、样品台) 应尽量放置在防震、防风、 远离其它热源的地方，以保证测量的准确性。 ( 3 ) 测量过程中，为保证修正的准确性，环境温度尽可能保持恒定， 同时被测样品不能出现任何的位移。 ( 4 ) 为提高探头的信噪比，使用前杜瓦瓶需加满液氮，并注意定期进 行杜瓦瓶内部清洁。 ( 5 ) 主机及系统配置的所有仪器电源输入电压均为a c l l 0 v 。 3 5 红外检测技术在可靠性物理研究及失效分析中的应用 构成红外诊断技术的技术要素有四个，见图3 3 所示。 ( 1 ) 检出信息：特征参量红外辐射信息的检出； ( 2 ) 信号处理； ( 3 ) 识别评价； 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 诊断或预测技术。 p c b 板、集成 电路或分立器件 红外诊断技术 图3 3 红外诊断技术的构成 f i g 3 3 t h es t r u c t u r eo fi n f r a r e dd i a g n o s i st e c h n o l o g y 显微红外热像仪是一种以非接触的形式测量样品表面温度和温度分 布的无损检测分析仪器。根据热分布的异常区或异常点，暴露不合理的 设计和工艺缺陷，可研究器件因设计、材料、工艺缺陷通过热效应所造 成的温度分布不匀、局部热斑等失效。因而它能更有效地、直接地用于 电子元器件、微组装件的热性能检测和热失效分析”，主要用于分析功 率器件和混合集成电路。通常可应用于以下方面： 一产品的热设计验证； 一热阻测量” ( 稳态、瞬态热阻) ； 一峰值结温的测量”： 一热耗散功率分析： 一稳态、瞬态热性能分析“”1 ； 一芯片、基板粘接性能分析； 一电路内部通断分析。 一由于晶体缺陷、杂质和静电放电引起的漏电通道； 一c m o s 电路的闩锁通道； 一检测划伤处或氧化层台阶处金属化图形的收缩所引起的局部发热； 检测双层布线互连孔的局部发热； 一检测由大电流引起的内引线过分发热或内引线键合性能分析； 一检测芯片裂缝； 此外，还可以分析针孔漏电和扩散尖端处的局部发热等。 以下是几种典型的应用： 图3 4 应用于电路板 f i g 3 - 4 a p p l yi np c b 图3 - 6 应用于集成电路 f i g 3 - 6 a p p l yi ni c 2 i 图3 - 5 应用于元器件 f i g 3 - 5 a p p l yi nd e v i c e 图3 7 应用于混合电路( h i c ) f i g 3 - 7 a p p l yi nh i c 广东工业大学工学硕士学位论文 3 6 本章小结 图3 8 应用于f p g a f i g 3 8 a p p l yi nf p g a 叙述显微红外热像仪i n f r a s c o p e 的基本结构、主要性能和技术指标， 列举了显微红外热像仪在电子工程中的应用，如产品的热设计验证、热 阻测量、峰值结温的测量和芯片，基板粘接性能分析等，并举例了几种 典型的红外检测图片。 第四章双极型功率晶体管热失效及其机理 第四章双极型功率晶