I ricercatori che lavorano nelle aziende che producono semiconduttori sono costantemente alla ricerca delle cause di guasto dei dispositivi in laboratorio al fine di prevenire guasti sul campo.

Analisi dei guasti della microelettronica

Innumerevoli ore vengono spese dagli ingegneri dell’analisi dei guasti (FA) cercando di capire perché un dispositivo si sia guastato e come questa anomalia può essere evitata in futuro.

L’analisi dei guasti della microelettronica è uno dei principali metodi analitici applicati alla diagnosi dei problemi che si verificano con i dispositivi, sia nella fase di fabbricazione che nell’uso della relativa applicazione.

Un guasto elettrico di un dispositivo a semiconduttore può essere funzionale o parametrico. Quando un dispositivo non è in grado di svolgere la funzione prevista, questo guasto è considerato un guasto funzionale. Un guasto parametrico invece si verifica quando il dispositivo non è in grado di soddisfare le specifiche elettriche per una caratteristica misurabile. Un tipico guasto parametrico può essere la corrente di dispersione, che potrebbe non riguardare la funzionalità del dispositivo. Pertanto, è possibile che sia presente un guasto parametrico anche se il dispositivo è ancora funzionante o in grado di svolgere la funzione prevista.

Come viene eseguita l'analisi dei guasti?

Esistono numerose tecniche di analisi dei guasti per i dispositivi semiconduttori. Un test di verifica rapido e semplice prevede l’utilizzo di un’unità di misura della sorgente (SMU) in cui è possibile aumentare gli effetti di una anomalia della curva IV e quindi utilizzare la SMU, riducendo al minimo il rischio di danneggiare ulteriormente un dispositivo (potenzialmente) già danneggiato.

Oltre al tracciamento della curva I-V, i test rientrerebbero in test distruttivi e non distruttivi. L’obiettivo è determinare il processo che ha determinato il guasto del dispositivo. Questi processi possono derivare da potenziali linee di difettose o danneggiate nei circuiti integrati da dissipazione di calore locale, cortocircuiti tra linee di alimentazione o di segnale, guasti di ossido o giunzione, latch-up e molto altro. Sfortunatamente, i test distruttivi di solito sono necessari in gran parte del processo di analisi

Compiti come il de-capsulamento, la tracciatura di linee metalliche e il sezionamento sono alcune delle tecniche utilizzate. Eseguite prematuramente, tuttavia, queste procedure possono modificare irreversibilmente le condizioni di test ed identificazione del guasto, senza considerare il costo delle risorse utilizzate nei test.
La valutazione non distruttiva dei guasti è stata storicamente un processo visivo, utilizzando strumenti come la microscopia elettronica a trasmissione e altri sistemi di ispezione a raggi X. Questi strumenti hanno un prezzo molto elevato. Un’altra tecnica conveniente è la termografia Lock-in (LiT).

LiT che aiuta ad affrontare una serie di sfide che i clienti devono affrontare:

  • Non voglio distruggere preziosi dispositivi sotto test (DUT).
  • Serve un modo semplice per modulare periodicamente l’ampiezza della potenza dissipata nel DUT.
  • Isolare più rapidamente i siti problematici o gli hot-spot nei dispositivi confezionati, riducendo i costi e ottenendo risposte più rapidamente.

Perché la termografia Lock-in?

La termografia lock-in è una tecnica di termografia attiva utilizzata per analizzare dispositivi microelettronici o campioni più generali di materiali al fine di rilevare difetti, danni o caratterizzare potenziali problemi di fabbricazione. LiT consente la misurazione senza contatto delle temperature superficiali utilizzando una termocamera a infrarossi. La parte “lock-in” del nome deriva dalla necessità di sincronizzare la velocità di acquisizione della telecamera con l’eccitazione del circuito.

LiT consiste nell’applicare un’eccitazione termica periodica a un dispositivo in prova sotto forma di un segnale elettrico pulsato, quindi monitorare la variazione di temperatura con una termocamera che cattura più acquisizioni veloci e le calcola con un algoritmo di post-elaborazione.

Per i dispositivi del pacchetto semiconduttore, ciò consente all’ingegnere dell’analisi dei guasti di mappare la superficie del pacchetto e identificare rapidamente gli hotspot localizzati con maggiore risoluzione e distribuzione della temperatura sulla superficie del pacchetto.

Ad esempio, per i fenomeni termici molto rapidi una configurazione idonea per quanto riguarda la termocamera da utilizzare è costituita da FLIR X6580sc (1.5-5.5µm), extender rings, macro-lens (5µm), up to 4500 Hz in modalità windowing.

A lato due esempi di termocamere FLIR ad alte prestazioni per applicazioni R&D, X6580sc e A655sc.

Come Tektronix/Keithley può aiutare a costruire una soluzione efficace per la termografia Lock-in

L’applicazione di cui sopra potrebbe essere eseguita utilizzando un generatore di funzioni arbitrarie programmabile, una sorgente di impulsi di tensione o un generatore di sorgenti di corrente in caso di necessità, invece del contatore hardware e dell’alimentatore pulsante. Gli impulsi di corrente, ad esempio, possono emettere impulsi di corrente fino a 10 ampere a 10 volt con ampiezze di impulso molto piccole.

Abbiamo ascoltato le richieste che ci hanno segnalato gli ingegneri FA che chiedevano uno strumento all-in-one che includesse una funzione di programmazione incorporata per coordinare il processo e la funzione di sincronismo con la termocamera, Keithley, ha sviluppato il sistema 2601B-PULSE.

Approfondimenti termografia per R&D