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是Thermal,不是Thermal——濱松TD Imaging熱點定位新技術發布

2025-06-29

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在過去的十幾年里,EMMI和OBIRCH已被證實是芯片失效分析中極具價值的工具。對于常規器件,當正面金屬層過于密集時,無論是熱信號還是光信號都難以穿透,從樣品正面獲取信號變得極為困難。此時,從樣品背面進行分析的 EMMI 和 OBIRCH 技術便顯得尤為重要。

然而,隨著芯片結構日益復雜,例如在 BS-PDN(Backside Power Delivery Network)結構中,背面還附加了用于供電的金屬層,這使得傳統的 EMMI 和 OBIRCH 方法在面對這種“三明治”結構時,無論是從正面還是背面都無法有效定位內部器件層的失效問題。

濱松最新發布的 TD Imaging(ThermoDynamic Imaging)技術,為這一難題提供了創新的解決方案。TD Imaging 技術能夠有效解決在正反面都有金屬層或樣品本身很厚的情況下如何進行失效定位的問題,為更先進制程和技術提供了一種更高精度的失效定位方案。

在詳細介紹這項突破性技術之前,讓我們先回顧一下目前主流的 Thermal(熱成像)技術。

對于大多數芯片而言,一旦通電,半導體器件和金屬導線必然會發熱。這些熱量傳導至芯片表面,再由熱成像相機精準捕捉,從而實現對熱點的精確定位,這便是熱成像技術的核心原理。而我們通常將通過紅外相機捕捉熱信號的這一過程稱為LIT(Lock-In Thermography),以便進一步介紹熱反射技術——TD Imaging。
盡管熱成像是一種主流的熱分析方法,但它也存在一些不足。

首先,其空間分辨率較低,影響顯微鏡成像的一個因素是光的波長,通常使用阿貝判據來衡量光學系統的分辨能力。
圖片
不難看出,波長越短,顯微鏡的分辨能力就越好。紅外相機的探測波段通常在中紅外波段(3um-5um),從波長上對顯微鏡的分辨率造成了限制。
其次放大倍率低,目前市面上常見的熱點定位設備中,放大倍率最大的中紅外物鏡僅為15倍,難以滿足更高精度的熱點定位需求。
此外,熱存在擴散,熱信號在傳導到器件表面的過程中會發生擴散,就像水滴落在紙巾上一樣“暈開”,使得很難從這“一灘”信號中分辨出實際的失效點,從而無法為失效分析(PFA)提供明確的定位。
同時,熱成像還容易受到材料的影響,例如對于Cu/Al等金屬材料,其較強的吸熱能力會使熱信號看起來像是被屏蔽了一樣。
最后,受相機幀速限制,熱成像相機的幀速通常在幾百Hz以內,無法進行更高頻的分析。

那么如何更精確地定位熱信號,提高PFA的成功率呢?下面我們將通過一個實際案例介紹 TD Imaging,并進行對比。

案例分享


對同一表面金屬間隔排布的VNAND樣品,使用LITTD Imaging兩種技術來采集信號。首先使用Thermal相機,在8倍中紅外鏡頭下得到的信號圖如下: 

2.png

放大后(下圖左)可以看出,樣品的熱信號被導線結構所遮擋,僅從金屬間隙間透過。使用TD Imaging對同一區域進行掃描,得到的信號圖(下圖右)中,信號明顯更加集中。

3.png

 TD Imaging的圖像進一步處理,可以將熱點定位在2 μm以內。

4.png

 為了更直觀地體現兩種方法的結果差異,我們將兩組信號疊加起來:

圖片

由此可見,對于表面有金屬覆蓋的樣品,使用TD Imaging可以有更多機會抓到金屬下的熱點信號。

熱反射技術 ——TD Imaging


TD Imaging是一種使用光束掃描器件表面,通過對比入射光和出射光之間的信號差異,進行失效定位的技術。反射光的強度變化,與樣品表面的反射率有關,而反射率本身對溫度變化非常靈敏。

  • 熱成像技術得到信號過程:

樣品內部產生熱→熱傳導到樣品表面→樣品表面發生熱輻射→被紅外相機捕捉→得到信號

  • 熱反射技術得到信號過程:
樣品內部產生熱→影響樣品表面溫度→樣品表面的光反射率變化→反射光到傳感器→得到信號

材料對電磁波的反射率+透射率+吸收率=1。這意味著,物體的反射率越高,吸收率就越低;反之,反射率越低,吸收率越高。在日常生活中,這一原理也隨處可見。比如在陽光下,穿深色衣服會比穿淺色衣服更熱,原因就在于深色衣物的光反射率較低,光吸收率較高,因此反射的陽光較少;而淺色衣物反射能力強,吸收能力弱,自然就更涼爽。熱反射技術和熱成像技術是相互補充的。對于不同材料,結合使用這兩種技術,可以在減少定位耗時的同時,顯著提高定位精度。

TD Imaging 的優勢


從上文案例的結果來看,TD Imaging探測到了金屬層下的熱點,同時進一步縮小了定位范圍。由于信號波長從中紅外轉為近紅外,可選用放大倍率更高的透鏡來收集信號,同時空間分辨率也更好。

濱松的TD Imaging技術可用1300 nm/670 nm的非相干光掃描待測樣品,更小的波長使得分辨率得到提升。同時,對于Cu/Al材料,670 nm的反射率更高,圖像的信噪比也更高。 

6.png

如上圖,分別使用1300 nm670 nm進行對比,在相同強度下,670 nm的信號明顯更多、更集中、效果更好。

總結


TD Imaging 是一種基于光束掃描的熱反射成像技術,有效彌補了傳統熱成像在空間分辨率上的不足,尤其在金屬等材料的熱信號收集和分析方面表現出色。它為高精度定位需求提供了全新的解決方案。如果您有相關測試或調研需求,歡迎掃碼添加工程師微信。我們計劃于今年 7 月開放此功能的測試與體驗。

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