专利名称：三维热点定位的制作方法
三维热点定位
相关申请
本申请要求享有2010年6月8日提交的美国临时申请No. 61/352738的权益，在此通过引用将其全部公开并入。技术领域
本发明属于掩埋在电子器件内部的电阻热源(热点)的定位领域。利用所述发明， 可以利用放大热成像中的锁定分析通过缺陷覆盖层的热传播，在三维中定位和精确定位热点的位置。本发明特别实现了系统级封装器件(SiP)之内集成电路和互连层的垂直叠置体中热活动结构或缺陷的非破坏性3D定位。
背景技术：
具有三维架构的现代复杂系统级封装器件的故障分析是越来越大的挑战。在这样的器件中，垂直叠置几个集成电路管芯并由弓I线键合或通过硅通孔(Tsv)技术将之互连。 对内部电子结构或互连的访问和分析限于非破坏性技术，像可用于信号跟踪的磁显微镜检查、时域反射测量技术。这两种方法在分辨率上都受限制，电气缺陷的三维定位非常受限或繁重。标准故障定位方法，像OBIRCH或发射显微术，大多不能应用，因为对3D架构之内掩埋电子结构的光学访问受到不透明材料层的限制。对于3D系统级封装器件而言这是最紧要的，因为热活动结构和缺陷可能掩埋在被不透明管芯附件、再分配或封装层覆盖的更深管芯或互连层级。分开各个管芯以独立进行故障分析可以是定位缺陷的选项，但这种过程耗时很长，并可能带来生成额外的与制备相关缺陷的高风险，显著降低了故障分析的成功率。
当前可以电激励的热缺陷的定位技术包括以下技术
锁相热像(LIT)
LIT是指一种非破坏性的技术，其利用IR敏感的摄像机，结合逐个像素的双通道锁相相关，通过直接热成像检测整个样本中非常小的温度变化。LIT提供了 μ m空间分辨率和μ K灵敏度以按照X和y坐标定位热活动结构和缺陷，但直到现在并未实现深度定位。
具有均匀热性质的材料层之内或之下的热点深度
对于给定的热均质材料而言，在热源在表面下的深度和热达到表面所花时间之间有大致线性相关。这种热时间延迟与相位信号成正比，可以通过双通道锁相热像测量，这样能够重新计算热源到表面的距离，因此计算其在材料层之内或之下的深度。
热能瞄准镜
常规的时间分辨温度测量允许以微秒(μ s)和毫开(mK)的精确度来检测/显示样本的热响应。
热脉冲吸收分析
基于向表面(后侧或前侧)上施加脉冲热并以时间分辨的方式测量温度分布/扩展。脉冲相位热敏成像法能够检测表面下的分层、材料杂质、孔洞等。可以将其用于脆弱焊接接头的无接触检测(例如，参见德国的Thermosensorik)。与LIT相比,热脉冲吸收较不敏感，提供的空间分辨率较低。发明内容
包括以下发明内容是为了提供对本发明一些方面和特征的基本理解。本
发明内容
不是本发明的全面综述，因此，并非意在具体地标识本发明的关键元件或描述本发明的范 围。其唯一目的是以简化形式提供本发明的一些概念，作为下文要提供的更详细描述的引
公开了一种利用锁相热像(LIT)以非破坏性方式定位热源的新方法。LIT方法进 行热点检测非常敏感，容易操作，可以用于定位管芯和封装级的缺陷。为了对掩埋热源进行 定量LIT分析和三维分配，必须要理解热波传播的基本原理，热点区域上方材料层的热性 质和几何性质的相关性。
本发明的各方面提供了利用锁相热成像法基于相位和时间分辨的热响应测量对 掩埋热点进行三维分配。公开了一种方法以利用叠置体内部热活动结构处产生并在器件表 面上检测的热的非破坏性测量从众多叠置层中区分出可以通过施加电信号而被激励的一 个或多个热活动结构。
组合锁相热像(按照X和y快速定位热点)与不同激励频率的时间分辨热响应测量 (用于在z方向上定位热点)实现了快速可靠地检测热活动结构。
除了在完全封装的电子器件内部按X和y非破坏性地定位热源之外，本发明的实 施例实现了通过根据所施加的激励频率(锁相频率)测量和分析相移(对于锁相热像)和/或 热时间延迟(对于时间分辨的热响应测量)来通过封装(包括完整的层叠置体)定位有缺陷 的层(管芯)。
尽管这里相对于封装的集成电路描述了本发明的实施例，但也可以实施本发明来 测试通过电刺激产生热点的其他器件，例如电池、太阳能电池、供电器件、LED等。因此，也 可以将术语DUT用于这些器件。
根据本发明的实施例，提供了 一种利用锁相热成像法检测掩埋在样本之内的热源 的位置的方法，包括将所述样本放置在测试系统上；以多个不同的锁相频率向所述样本 施加测试信号；在向所述样本施加测试信号时，利用红外传感器对所述样本进行成像；从 所述成像检测所述样本表面上的横向温度分布；针对所述样本之内的热传播，检测并分析 所述测试信号和从成像获得的热响应之间得到的相移；分析所述横向温度分布，由此获得 热源的横向位置；以及分析每个热源位置处的相移，由此确定其在所述样本之内的深度位 置。根据本发明的实施例，该方法还包括除了定量相位值之外，还绘制各个锁相频率处的相 移并分析所绘制相位与频率之间曲线的斜率，以提高深度分辨率和测量可靠性。分析可以 包括通过热波传播的解析解来计算与深度相关的相移相对于频率的特性；以及将计算的与 深度相关的相移相对于频率的特性相关到检测的相移，以识别热源的深度。分析还可以包 括通过热波传播的有限元建模来计算与深度相关的相移相对于频率的特性；以及将计算的 与深度相关的相移相对于频率的特性相关到检测的相移，以识别热源的深度。
根据本发明的实施例，提供了一种利用锁相热成像法检测掩埋在样本之内的热源 的位置的方法，包括将所述样本放置在测试系统上；向样本施加测试信号；在向所述样本 应用测试信号时，利用红外传感器对所述样本进行成像；从所述成像检测所述样本表面上的横向温度分布；以及分析所述横向温度分布，由此获得热源的横向位置；其特征在于以 多个不同的锁相频率施加测试信号；并且还在于，针对所述样本之内的热传播，检测并分析 所述测试信号和从成像获得的热响应之间得到的相移；以及分析每个热源位置处的相移， 由此确定其在所述样本之内的深度位置。根据本发明的实施例，该方法还包括除了定量相 位值之外，还绘制各个锁相频率处的相移并分析所绘制相位与频率之间曲线的斜率，以提 高深度分辨率和测量可靠性。
根据本发明的实施例，提供了一种利用锁相热像(LIT)系统检测掩埋热源的位置 的方法，包括在测试系统上放置被测器件(DUT);向DUT施加可变锁相频率的电信号，同时 随时间改变测试信号的锁相频率；在向所述DUT施加测试信号的同时，利用红外摄像机对 所述DUT进行成像；利用热成像检测所述可变锁相频率处时间分辨的热波形并在监视器上 显示时间分辨的热波形；以及利用相关函数分析所述时间分辨的热波形以确定所述电信号 和相关热波形之间的相移。
根据本发明的实施例，提供了一种利用锁相热成像法检测样本之内掩埋的电活动 热源位置的方法，应用了开窗概念以进行更快的信号采集，所述方法包括向样本施加电激 励信号；在向所述样本施加测试信号的同时，利用红外摄像机对所述样本进行成像；检测 所述样本表面上的横向温度分布，由此在横向上定位热源；减小所述IR摄像机的工作面积 以仅对定位热源的区域成像，这是一般称为子阵列或开窗的操作，以便实现更大的摄像机 采集速度，称为帧频，其中可以通过仅从摄像机像素子集读取数据来减小IR摄像机的工作 面积；接下来以多个不同的锁相频率向样本施加电激励；在向所述样本施加测试信号时， 利用开窗IR传感器对所述样本进行成像；检测所述样本表面上的横向温度分布；针对所述 样本之内的热传播，检测并分析所述电激励信号和所述热响应之间得到的相移；以及分析 所得相移，由此获得电活动热源的深度位置。
根据本发明的实施例，该方法包括使用一个或多个相关函数以定量分析时间分辨 的热波形的形状，例如，但并非唯一地，向预定义的波形，例如sin、cos、方形、鱼翅、指数充 电/放电曲线等使用自相关或互相关，以及产生所得的相关因子相对于锁相频率的矩阵。
根据本发明的各方面，提供了一种用于在被测器件(DUT)中定位缺陷的方法，包 括将所述DUT放置在测试系统上；向DUT施加可变频率ft的测试信号，同时随时间改变测 试信号的频率ft ;在向所述DUT施加测试信号的同时，利用红外摄像机对所述DUT进行成 像；确定DUT的红外图像与测试信号频率ft的相移；以及将相移与DUT内部的深度测量结 果相关。可以通过在高于频率ft的帧频f。操作红外摄像机进行DUT的成像。频率f。可以 是频率ft的至少四倍。该方法还可以包括绘制各频率ft处时间分辨的相移。
根据本发明的其他方面，提供了一种在封装的集成电路(IC)中定位缺陷的方法， 包括在测试系统上放置封装的IC;向封装的IC施加选定频率&的第一测试信号；在向IC 施加第一测试信号的同时，获得IC的IR图像；从IR图像选择感兴趣区域；减小红外摄像 机的视场；向封装的IC施加一组可变频率ft的测试信号，同时随时间改变测试信号的频率 ft ;在向所述IC施加测试信号时，利用具有减小的视场的红外摄像机对所述IC进行成像； 利用成像产生时间分辨的热波形；以及利用波形以确定IC之内的缺陷深度。


从参考以下附图做出的详细描述，本发明的其他方面和特征将显而易见。应当提到的是，详细描述和附图提供了由所附权利要求界定的本发明各实施例的各种非限制性范例。
图1是复矢量图，示出了基本LIT相关信号(实部和虚部)，以及从左至右发展的对于缺陷位置和器件表面越来越大距离导致的幅度矢量和相移。
图2是对于材料硅和模具化合物，作为所施加的锁相频率的函数的热扩散长度曲线。
图3是从一毫米硅和模具化合物材料层下方假想的缺陷获得的作为所施加的锁相频率的函数的所得相移的曲线图。
图4是根据本发明实施例的系统图示。
图5是示出了利用基于聚焦离子束的电路编辑生成局部性缺陷的图像。
图6是拓扑图像上方叠加的热强度(幅度)图像，示出了由图5所示样本的人为·生成缺陷(参考热源)产生的热。
图7是一个被测器件的简化草图。
图8是与所施加的锁相频率相关的试验和理论相移的曲线图。
图9A-9D是实验器件的草图。
图10是具有不同数量管芯的被研究叠置器件(图9A-9D所示的DUT)的试验结果曲线。
图1lA是拓扑和锁相幅度图像叠加的LIT结果，而图1lB是相位结果。
图12是时间分辨的热响应曲线(类似于热波形)；全部针对不同的锁相频率，利用 Vlockin=L 2V，采集时间=40秒，以摄像机的完全帧模式(帧频=IOOHz)测量。
图13是时间分辨的热响应的曲线(类似于热波形)；全部是利用f ^kin=IHz， Vlockin=L 2V，采集时间=40秒，在摄像机的不同子帧模式(开窗，具有更高帧频)下测量的。
图14是时间分辨热响应的曲线，是利用Lkin=IHz,Vltjekin=L 2V，采集时间=40秒， 全帧模式(IOOHz )，在最高互相关的延迟点处利用激励/锁相电压和sin函数的叠加来测量的。可以使用互相关结果以提闻的精确度确定相移Δ Φ Sin0
图15示出了与用于互相关的不同势函数相比，叠加到锁相电压的在O. 2Hz测量的时间分辨的热响应(参见图12)。示出了 sin-指数充电和放电-方形-函数，全都导致不同的Λ Φ和互相关值。
具体实施方式
电子器件，例如系统级封装(SiP)的三维架构由垂直叠置并封装在一起的若干集成电路管芯、管芯附件或互连再分配层构成。因此，这样封装的电子器件是异质材料叠置体，包含硅、聚合物和Si氧化物隔离层、金属线和导线、胶和/或胶粘剂、封装模具等。因此， 从热点位置开始的内部热传播可能非常复杂。因此，在ζ方向，即其在样本之内的深度上， 定位热点缺陷是困难的。此外，复杂缺陷或样本类型可能导致从热点位置处功率转换方面而言不理想的热点激活。这里公开的各实施例能够精确定位这种器件中的热源(例如，热活动结构或缺陷)。
本发明的各实施例使用定义的多个频率进行器件激励(基本是，但未必一定是占空比为50%的方波电压信号)。参照频率曲线分析激励和热响应之间导致的相移使得能够实现必要的热点深度计算精度，包括与模拟的和/或事先计算的数据进行比较。使用时间分辨的热响应测量(类似于热能瞄准镜的显示)分析完整热波形，以实现更好的精确度和大大减少的分析时间。
本发明的实施例将定量测量结果用于电刺激和热响应之间相移/时间延迟以及测量的波形的形状，以进行自动化和半自动化数据分析。波形形状分析可以基于测量结果和预定义函数(例如正弦、余弦、鱼翅、三角形、方形)之间的互相关，提供相关矩阵而非仅仅每个所施加的锁相的单相值。
本发明的实施例例如提供了以下优点扫描锁相频率实现了测量更多数据点，并允许不仅分析个体绝对相位值，而且分析相位相对于频率曲线的形状/斜率。这提供了明确的相移/时间延迟测量结果，具有更大的检测精确度，仍然允许利用不理想的热点激活进行3D定位，其中单次相位测量会提供错误结果。而且，时间分辨的热响应测量能够显著减少每个被分析频率的必要采集时间，减少超过十倍，可能高达100倍。此外，获得的完整波形允许基于热时间延迟和波形形状的定量分析进一步提高深度测量精确度。预计这些改善是分辨当前和将来多层电子器件，即3D系统级封装技术中的单层是必要的。热传播的定量分析允许进行热点的(半)自动3D分配。
与稳态热成像相比，LIT的主要优点是低至几个μ W的高得多灵敏度，结合低至几个Pm的更高空间分辨率。为了实现这些参数，通过选定的频率(锁相频率)利用电源电压周期性激励被测器件。由IR摄像机检测器件表面处的所得热响应并利用两个相关函数分成与激励信号相关的同相部分(S0° )和异相部分(S90° )。这个过程允许计算幅度和相位信号，其包含热点深度定位的必要信息。
幅度:^/(50°+* 9°0)2(I)
相位arctan^~(2)
为了更好地理解基本信号(SO °，S90 ° )和所得幅度和相位信息之间的关系，在图1所示的复矢量图中绘示0°和90°信号。两个部分的所得矢量代表幅度A (箭头指向图1中的点“S”)，由此由相位Φ表示0°和所得幅度矢量之间的角度。相位值可以被理解为激励信号和测量的热响应之间的时间延迟。
通常，由于测试是在器件上利用热点区域上方对于被检测IR波长(典型为，但未必一定是3-5 μ m)不透明的材料执行的，所以热波可能通过这种材料传播，导致热点上方器件表面的温度周期性升高，这可以通过LIT测量。底层热扩散过程的时间常数决定激励信号和热响应之间的相移。热延迟的主要导致因素是导热率较低的材料层，例如模具化合物、 管芯附件胶、聚合物和Si氧化物隔离层，但没有导热率高得多的Si管芯或金属层。简而言之，热点和器件表面之间的距离越长，所得的相移越高。相反，知道热点上方材料的热性质能够通过测量相移确定热点的未知深度。
这里将描述材料层热性质影响的参数称为热扩散长度(μ )，其描述体材料内部热波的阻尼。它被定义为热波幅度下降到e—1的特征长度。如方程3所示，可以通过热参数导热率(λ，W/m*K)、比热容(cp，J/g*K)、密度(P，g/cm3)和施加的锁相频率(f1()C;k_in，Hz)来计算它。可以将热参数总结为热扩散率(单位mm2/S)。
权利要求
1.一种利用锁相热成像法检测掩埋在样本之内的热源的位置的方法，包括 将所述样本放置在测试系统上； 以多个不同的锁相频率向所述样本施加测试信号； 在向所述样本施加所述测试信号时，利用红外传感器对所述样本进行成像； 从所述成像检测所述样本表面上的横向温度分布； 与所述样本之内的热传播相关地，检测并分析所述测试信号和从所述成像获得的热响应之间的所得到的相移； 分析所述横向温度分布，以获得所述热源的横向位置；以及 分析每个热源位置处的所述相移，以确定其在所述样本之内的深度位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括绘制各个锁相频率处的所述相移，以获得相位相对于频率的曲线。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括分析所述相位相对于频率的曲线的斜率以改善所述深度位置。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括通过热波传播的解析解来计算与深度相关的相移相对于频率的特性；以及 将所计算的与深度相关的相移相对于频率的特性与所检测的相移相关，以识别所述热源的深度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括 通过热波传播的有限元建模来计算与深度相关的相移相对于频率的特性； 将所计算的与深度相关的相移相对于频率的特性与所检测的相移相关，以识别所述热源的深度。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括通过仅从来自所述红外传感器的像素子集读取数据来限制所述样本表面上的视场。
7.根据权利要求6所述的方法，其中限制所述视场包括增加相邻像素的值以产生总和数据点，并仅读取所述总和数据点。
8.一种利用锁相热像(LIT)系统检测掩埋热源的位置的方法，包括 在测试系统上放置被测器件(DUT)； 向所述DUT施加测试信号； 在向所述DUT施加所述测试信号的同时，利用红外(IR)摄像机对所述DUT进行成像； 检测所述样本表面上的横向温度分布，以在横向上定位所述热源； 减小所述IR摄像机的工作面积以获得减小的视场； 接下来以多个不同的锁相频率向所述DUT施加电激励信号； 在向所述DUT施加测试信号时，利用所述减小的视场对所述DUT进行成像； 检测所述DUT表面上的横向温度分布； 与所述DUT之内的热传播相关地，检测并分析在所述电激励信号和所述热响应之间的所得到的相移；以及 分析所得到的相移，以获得电活动热源的深度位置。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括除了定量相位值之外，还绘制各个锁相频率处的所述相移并分析该相位相对于频率的曲线的斜率，以提高z分辨率和测量可靠性。
10.根据权利要求8所述的方法，通过热波传播的解析解来计算与深度相关的相移相对于频率的特性；以及 将所计算的与深度相关的相移相对于频率的特性与所测量的相移相关，以识别所述热源的深度。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括通过热波传播的有限元建模来计算与深度相关的相移相对于频率的特性； 将所计算的与深度相关的相移相对于频率的特性与所测量的相移相关，以识别所述热源的深度。
12.根据权利要求8所述的方法，其中减小所述IR摄像机的工作面积包括增加相邻像素的值以产生总和数据点以及仅读取所述总和数据点。
13.根据权利要求8所述的方法，其中施加测试信号包括从外部源获得所述测试信号并使所述IR摄像机与来自所述外部源的信号同步。
14.根据权利要求8所述的方法，其中减小所述IR摄像机的所述工作面积包括使用单个像素的IR传感器。
15.一种利用锁相热像(LIT)系统对掩埋在被测器件(DUT)内部的热源进行时间分辨定位的方法，包括 向所述DUT施加测试信号； 在向所述DUT施加所述测试信号的同时，利用红外摄像机对所述DUT进行成像； 检测样本表面上的横向温度分布，以横向定位所述热源； 减小所述IR摄像机的工作面积以获得减小的视场； 接下来以多个不同的锁相频率向所述DUT施加电激励信号； 在向所述DUT施加所述激励信号时，利用所述减小的视场对所述DUT进行成像；利用热成像检测可变锁相频率处的时间分辨的热波形并在监视器上显示所述时间分辨的热波形；以及 分析所述时间分辨的热波形以确定所述电信号和相关热波形之间的相移。
16.根据权利要求15所述的方法，其中分析所述时间分辨的热波形包括使用相关函数。
17.根据权利要求15所述的方法，其中限制所述视场包括增加相邻像素的值以产生总和数据点以及仅读取所述总和数据点。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括使用与锁相频率相同的频率的sin函数的自相关来测量所述时间分辨的波形的相移。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括 通过热波传播的解析解来计算与深度相关的相移相对于频率的特性；以及将所计算的与深度相关的相移相对于频率的特性与所测量的相移相关，以识别所述热源的深度。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括 通过热波传播的有限元建模来计算与深度相关的相移相对于频率的特性； 将所计算的与深度相关的相移相对于频率的特性与所测量的相移相关，以识别所述热源的深度。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括使用至少一个相关函数来定量地分析时间分辨的热波形的形状并生成所得到的相关因子相对于锁相频率的矩阵。
22.根据权利要求21所述的方法，其中使用至少一个相关函数包括向预定义波形使用自相关或互相关中的至少一个，所述预定义波形包括正弦、余弦、方形、鱼翅、指数充电/放电曲线中的至少一个。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括通过热波传播的有限元建模基于与深度相关的相移相对于频率的特性来计算理论相关因子； 将所计算的相关因子与所测量的相关因子相关，以识别所述热源的深度。
24.一种用于对封装的被测器件(DUT)内的缺陷进行定位的系统，包括 用于安装所述密封的DUT并连接所述DUT以从激励源接收激励信号的试验台； 被定位成获得所述DUT的IR图像的红外摄像机； 处理器，生成频率ft的同步信号并向所述激励源发送所述同步信号； 随时间改变所述频率ft的选频器； 其中所述处理器从所述红外摄像机读取数据并使用所述红外摄像机的热成像生成可变锁相频率处的时间分辨的热波形并在监视器上显示所述时间分辨的热波形。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述处理器还包括视场选择器，以限制所述红外摄像机的视场。
26.根据权利要求24所述的系统，其中所述处理器还包括视场选择器，使得能够仅从所述红外摄像机的像素子集读取。
全文摘要
一种利用锁相热像(LIT)对电子器件架构中掩埋热点进行3D定位的非破坏性方法。3D分析基于热波通过不同材料层的传播原理和所得的相移/热时间延迟。对于更复杂的多层叠置管芯架构，必须在不同激励频率下采集多个LIT结果以进行热点的精确深度定位。此外，可以使用在热点位置顶部最小化视场中测量的多个时间分辨的热波形加快数据采集。可以分析所得波形的形状以进一步提高检测精确度和置信水平。
文档编号G01N25/72GK103026216SQ201180036274
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者F·阿尔特曼, C·施密特, R·施兰根, H·泰朗德 申请人:Dcg系统有限公司, 弗劳恩霍弗应用技术研究院