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     關于SanjSCOPETM熱成像系統

    1、 SanjSCOPETM熱成像系統主要采用基于lock-in手段的反射率熱成像技術,結合數字信號處理手段以及先進的軟件算法,為用戶提供一個集高空間分辨率、高時間分辨率、高溫度分辨率的,可以對亞微米級別的微電子系統進行熱分析的通用工具。

    2、 亞微米量級的空間分辨率:SanjSCOPETM熱成像系統可以達到300nm的高空間分辨率,更加適用于亞微米量級的器件的熱成像。

    3、 極高的瞬態熱成像時間分辨率:SanjSCOPETM熱成像系統具有微秒級(MicroTherm)系列、納秒級(NanoTherm)系列以及皮秒級PT(PicoTherm)系列,時間分辨率分別為50us,50ns以及800ps,可以滿足不同層次的測試需求。

    4、 SanjSCOPETM熱成像系統在TR(反射率熱成像)技術的基礎上,支持增加IR(紅外熱成像)功能。通過IR功能可以實現高達15mK的熱靈敏度,方便用戶在更大視野范圍的宏觀領域,以進行更低功率量級的熱點探測,進而再使用TR功能針對上述熱點進行更高空間分辨率下的更細致的分析。

    5、 SanjSCOPETM熱成像系統的研發者Dr. Ali Shakouri畢業于美國加州理工大學,目前任職普渡大學Birck納米技術中心的主任,是公認的納米技術領域的權威。

     

     

    二、SanjSCOPETM熱成像系統反射率成像系統的功能

    1測試器件表面溫度分布;

    2進行熱點區域檢測,快速而準確地定位芯片表面的缺陷,作為器件的缺陷和失效分析的表征手段。

    4能夠分析半導體器件的瞬態熱成像過程;

    5準確測試GaN HEMT,GaAs FET等器件以及光電子器件的溫度分布及瞬態熱成像過程。 

    6、利用穿透襯底功能,可以測試flip-chip的背面發熱情況。

    二、反射率熱成像技術的原理

    1、反射率熱成像技術的原理

    反射率熱成像技術利用材料的反射率隨著溫度變化而變化的原理來測試器件的溫度分布。

    圖1 材料反射率與溫度的關系

    (1)材料的反射率與溫度有關:當材料的溫度發生變化時,探測器探測到的反射光強度也會隨之發生改變。

    材料的反射率與溫度的函數關系可以用上圖的公式描述,其中К是“反射率-溫度系數”。К是一個基本的材料屬性,與材料本身相關,與照射光的波長相關。對于常見的金屬以及半導體材料來說,溫度-反射率系數К的量級一般為10-2/K~10-5/K。

    (2)通過光學手段測試發熱器件的表面材料對于特定波長光源的反射光強度,再根據材料的“反射率-溫度系數” К,就能測得器件的溫度分布。

    (3)“反射率-溫度系數”對于大多數波長都是非零的,因此探測光可以采用可見波段。與紅外成像技術的紅外波段相比,可見光波段可以使溫度分布圖的空間分辨率提高一個數量級,達到亞微米量級。

    (4)不同于紅外熱成像技術,反射率熱成像技術不依賴于材料的輻射系數。 

    2、SanjSCOPETM熱成像系統的工作原理

    (1)正面熱成像原理

    圖2 基于CCD成像的高分辨率的反射率熱成像系統的基本結構圖

    圖2所示是SanjSCOPETM熱成像系統正面熱成像的結構示意圖。該系統包括:LED照明光源、顯微系統以及CCD攝像頭。LED照明光源用于提供穩定的入射光,其發射光經顯微系統照射到待測器件的表面,經過待測器件表面的反射光再經由顯微系統回到CCD攝像頭。當器件的溫度發生改變時,CCD探測到的反射光的強度也隨之改變。因此通過測試反射光強度的改變,再根據表征材料反射率與溫度的關系的參數“反射率-溫度系數”,就可以得到溫度的分布。

    A、 選擇波長為400nm-800nm的可見光,可以得到亞微米量級的空間分辨率;

    B、 由于“反射率-溫度系數”是一個很微弱的量,在實際操作中通過鎖相放大技術(lock-in)來提高采集信號的信噪比,以獲得更高的溫度分辨率。

    (2)穿透襯底熱成像原理(NT310原理)

    圖3 穿透襯底熱成像原理示意圖

      在SanjSCOPETM  NT310系統中,照明光源選擇近紅外波段的LED光源,由于近紅外波段對大多數半導體器件的襯底材料(尤其是硅材料)是透明的,可以直接入射到器件的有源層,因此可以直接獲取襯底層下方的有源層的反射光強度,從而獲得有源層的溫度分布。因此穿透襯底熱成像功能可以用于分析flip-chip等的真實溫度分布。

    (3)、lock-in技術

    圖4 瞬態熱成像原理圖

    通過調節LED脈沖與器件激勵之間的延遲時間,可以在不同的時間點采集溫度數據。根據這種方式,通過調節待測器件激勵脈沖的時長,SanjSCOPETM熱成像系統可以準確測試待測器件在熱穩定狀態下的溫度分布以及各個瞬態時刻點的溫度分布。

     

    三、 SanjSCOPETM熱成像系統的型號及技術參數

    四、 SanjSCOPETM熱成像系統所采用的反射率熱成像技術與其他技術的對比

    1、 常用分析手段對比

    2、反射率熱成像技術(TR)與IR,拉曼的對比

    TR與IR對比案例1:空間分辨率對比

    圖11給出了同一個熱測試芯片通過兩種熱成像技術得到的表面溫度分布。由于固晶層(die attach)的工藝,兩種成像技術都觀察到了芯片表面溫度分布的不均勻性。但是反射率熱成像技術具有更高的空間分辨率,提供了更為強大的細節。

     反射率熱成像                            紅外熱成像

    圖11 反射率熱成像與紅外熱成像的空間分辨率比較

    TR與IR對比案例2:細節溫度比較

    圖12顯示的是待測器件在高放大倍數下的比較。反射率熱成像技術可以探測到更多的局部溫度峰值。由圖12可見,反射率熱成像系統清晰地獲得了寬度為4um的加熱線表面的尖銳的溫度峰值。

    查看詳細介紹請點擊此處下載SanjSCOPE.pdf

    1、GaN HEMT研究

    GaN HEMT的柵長是納米量級的,通過傳統的熱成像手段很難獲得柵極金屬的溫度分布。

    A、 憑借SanjSCOPETM熱成像系統優異的空間分辨率,以及金屬強烈的反射信號,用戶可以獲得柵極金屬的溫度分布。

    B、 由于GaN材料對可見光透明,因此SanjSCOPETM熱成像系統支持用戶升級紫外方案,對GaN器件的溫度分布進行完整而準確的表征

    UV 波段 ( 波長<375nm) 是用于對GaN 材料進行反射率熱成像測試的理想光源 (~20%反射, 無透射)

    530nm (綠光) 是用于對金材料進行反射率熱成像測試的理想光源

    (1) Cree 的GaN HEMT 樣品測試結果

    A、測試裝置

    B、測試條件

    1、偏置條件:28V, 500mA

    2、加熱時間:>30s

    3、基板溫度:70C

    4、測試條件:

            (1)530nm光源, 5X 物鏡

            (2)UV光源,5X物鏡

            (3)UV光源,20X物鏡

            (4)UV光源,60X物鏡

            (5)530nm光源,100X物鏡

     

    C、標定反射率-溫度系數

    D、穩態測試結果

    D1、使用UV參考光源,在不同放大倍數下的結果比較

    D2、使用可見光光源,在5X物鏡下的穩態測試結果

    D3、使用UV( 365nm )光源,在5X物鏡下的穩態測試結果

    D4、使用UV光源,在60X物鏡下的穩態測試結果

    D5、使用530nm光源,在100x物鏡下的穩態測試結果

    UV,60X與530nm,100x穩態結果對比

    E、瞬態測試結果

    E1、加熱曲線

    (2)、英國SURREY大學使用SanjSCOPETM設備+RF源測試GaN器件

    、

    (3)、GaN HEMT瞬態測試結果

    A、對GaN HEMT施加5us加熱脈沖后的瞬態響應

    B、使用瞬態溫度響應曲線研究使用SiC襯底與金剛石襯底的性能對比。時間分辨率:50ns

    C、GaN HEMT溝道超快速瞬態過程記錄

    2、GaAs MMIC

    某GaAs MMIC在20X鏡頭下

    3、 光電子器件

    (1)、InP 激光器測試

    (2)、Ge/Si p-i-n 波導光電二極管測試

    (3)、  研究太陽能電池背面由于劃片槽引起的缺陷

     

    該案例是利用SanjSCOPETM熱成像系統反射率熱成像系統研究太陽能電池表面由于劃痕引起的漏電缺陷。

    (4)、非破壞性測試封裝LED的芯片表面溫度分布

    (5)、激光器測試

    A、使用530nm,在5X物鏡下的穩態測試結果(電流200mA,基板溫度25℃)

    6、ESD靜電保護器件

    (1)、某ESD器件的瞬態熱成像過程

    4、 熱點探測

    (1)、某樣品的熱點探測

    (2)、MOSFET柵極金屬的熱點探測

    (3)、GaN HEMT故障分析

    五、 MOSFET器件

    在MOSFET器件中增加納米線結構,有助于提高MOSFET的性能,但同時也增加了熱管理上的挑戰

    六、 研究IGBT的current filament現象

    不同VDC, VGE值下,經過多個短路脈沖后的溫度成像圖

    七、 IC測試

    (1)、對某IC的閂鎖進行瞬態測試

    § 通過與IC的啟動序列進行同步,瞬態溫度圖可以顯示功率循環的不同階段

    § 對于具有高耗散功率以及差散熱的器件,可以使用低占空比來限制整體加熱。這樣可以防止對器件引起只會在直流偏壓下造成的破壞。

    (2)、檢查IC中 Interconnect 與 Via 的完整性

    部分客戶名單

     

    商業客戶

    •  Intel Corporation  英特爾

    •  Apple 蘋果

    •  Qualcomm  高通

    •  Raytheon   雷神

    •  Analog Devices  模擬器件

    •  Air Force Research Lab

    •  Radiant Optronics Pte Ltd

    •  Protochips, Inc.

    •  ATN Japan

    •  Western Digital

    •  Infinera  

    •  Silicon Image

    •  MaCOM Ireland  

    •  Mellanox-Kotura

    •  Georgia Tech         

    •  Test Asia Equipments Pte Ltd

    •  Design Engineering Inc. (DEI)    

    •  Chip Test Solutions

    •  BSW Test Systems AG

    •  三安集成電路

    大學及科研機構

    • Birck Nanotechnology Center

    • University of Cincinnati

    • Penn State University

    • University of Surrey

    • 加州大學伯克利分校

    • National University of Singapore

    • Instituto de Microelectronica de Barcelona

    • University of California at Santa Barbara

    • Nanyang Technological University of Singapore

    • Air Force Research Lab

    • 中科院西安光機所

    合作研究機構

    • Agilent Technologies

    • Sharp

    • Altera Corporation

    • Silicon Frontline

    • A*Star Singapore

    • SimTech

    • CNES

    • Si-Ware Systems

    • ESA

    • Stanford University

    • Georgia Tech

    • ST Microelectronics

    • Maxim Integrated

    • Texas Instruments (National Semiconductor)

    • Nvidia

    • Thales

    • OnSemi

    • Thermal Engineering Associates

    • Package Science Services

    • University of California at Santa Cruz

    • Philips Electronics

    • Wavetek

    • Purdue University

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