1、 引言

随着电子产品往小型化、集成化的方向发展，特别是异质集成（如2.5D封装）、多芯片模组（如SiP）等封装的发展，使得元器件的无损失效定位变得愈发困难。对于开封后的器件，当芯片表面金属化密集、金属化层数变多时，OBIRCH及EMMI可能无法进行准确定位。为了解决这些新的问题，可以采用锁相红外热成像技术，利用红外线的穿透力以及锁相技术的降噪能力，极大地提高了分析的灵敏度。

2、 锁相红外热成像系统工作原理

图1是锁相红外热成像系统的工作原理图，锁相放大系统通过对待测器件进行周期性（flock-in）的加电，使其表面热辐射信号产生周期性的变化，这些热辐射输入信号会被红外相机收集，此时相机接收图像有两个：一是热幅值分布图，用于定位器件的热点，二是热点被相机检测到的时间延迟（相位图），可以判断出热点所在的深度。通过锁相分析系统的优化，红外热成像显微镜能够在表面上检测几微K的局部温度调制。其灵敏度比起传统稳态热成像方法有二至三个数量级的提升。

图1 锁相红外热成像应用原理图

赛宝实验室的红外热成像显微镜由HgCdTe（Mercury Cadmium Telluride）半导体材料红外相机、中波红外物镜、探针台、计算机、电动探针台控制器、显示屏等单元组成，其中，HgCdTe红外相机测量光谱范围为3µm~5µm，与芯片工作时产生的红外辐射波段具有很好的匹配性，可探测低至uW级别的热量。同时，可选的中波红外物镜头倍率有0.29×、0.8×、4×、8×，能够适应PCBA及大尺寸器件的失效定位。

图2 锁相红外热成像系统构成

3、 案例分析

通过以往大量的应用，锁相红外热成像技术已经成功应用于电源模块短路、封装壳体漏电、阻容感器件、PCBA等失效定位上，以下通过两个典型案例进行分享。

案例一

锁相红外热成像显微镜在低阻漏电情况中的优势体现

在该案例中，已知某型号规格的功分器在老化试验结束后上电失效，表现为高频状态输出通道增益下降，通过内部目检确认样品未见明显异常形貌。在随后的电测中发现其RF与GND端口之间的I-V特性曲线均呈异常低阻特性。先后利用激光扫描显微镜（OBIRCH）、锁定红外热成像寻找芯片上的失效点。利用FIB对样品定位结果所指的电容进行剖面检查，可见电容存在击穿熔融烧毁形貌。

定位结果对比如图3所示，电容FIB剖面结果如图4所示。

图3 样品OBIRCH（左）与锁相红外热成像（右）

失效定位结果对比

图4 样品电容FIB剖面结果

由该案例中OBIRCH和锁相红外热成像显微镜效果图对比可知，锁相红外热成像显微镜结果图杂点较少，且结果以热点方式呈现，相较OBIRCH结果更为直观精确。

 案例二

锁相红外热成像封装漏电定位的优势体现

某芯片经高温蒸煮可靠性试验后在功能测试时端口漏电流超标，需要对漏电通道进行定位。将样品进行功能锁相红外热成像测试，经观察发现：加电条件下该端口与相邻端口引脚间存在热点，漏电流大小为25µA。热点定位结果如图5所示。

图5 热点定位结果

对定位结果进行成分检查发现:红外热点位置存在Sn元素。端口间金相及EDS能谱图如图6、7所示。

图6 样品端口间金相放大形貌

图7 红外热点位置SEM放大形貌及EDS能谱图

在该案例可见，锁相红外热成像显微镜对芯片封装的漏电流路径具有优秀、精确的表征效果。

4、 总结

锁相红外热成像技术在失效分析领域中的应用是失效分析行业中的重大创新，因其低噪声，高精确度，高效率的优势。在板级至芯片级的元器件无损失效分析领域能提供至关重要的信息帮助。同时，OBIRCH和锁相红外热成像显微镜在失效分析流程中的共同应用能更好地确认失效位置，帮助失效分析工程师制定更好的实验方案。除此以外，锁相红外热成像显微镜利用相位信息在微米级深度定位功能方面还存在着开发研究的可能性，该功能未来将在多层存储器芯片或者先进封装器件的失效定位中有着巨大的应用前景。