МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 6, с. 446-456
ДИАГНОСТИКА ИС
УДК 621.382
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ТЕРМОГРАФИЯ "ГОРЯЧИХ ТОЧЕК" В ИЗДЕЛИЯХ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
© 2007 г. В. М. Попов1, А. С. Клименко1, А. П. Поканевич1, И. И. Гаврилшк1, Н. В. Мошель2
Государственное предприятие "Научно-исследовательский институт микроприборов" НТК "Институт монокристаллов" Национальной академии наук Украины 2Черниговский государственный институт экономики и управления, E-mail: popovmc@i.kiev.ua Поступила в редакцию 12.09.2006 г.
Систематизированы результаты жидкокристаллической (ЖК) термографии "горячих точек" в образцах изделий электронной техники при анализе их отказов. Выделены две группы методов, основанные на использовании неориентированных ЖК (группа 1) и однородно ориентированных ЖК (группа 2), определены условия их применения для различных типов образцов. Разработаны новые высокочувствительные методы ЖК-термографии. Приведены техника и режимы реализации методов. Исследованы различные визуальные ЖК-образы "горячих точек" на образцах интегральных схем и солнечных батарей.
ВВЕДЕНИЕ
В анализе отказов образцов изделий электронной техники (дискретных полупроводниковых приборов, интегральних микросхем) определение координат дефекта - одна из важнейших задач. Изучение вольтамперных характеристик дает возможность обнаружить аномальные характеристики электрических цепей с дефектными элементами. Однако, при этом не определяются их координаты.
Наиболее эффективными методами определения координат дефектов являются тепловые методы, основанные на регистрации мест аномального локального тепловыделения - "горячих точек". Реально "горячие точки" являются отображениями дефектов, в которых протекают избыточные токи.
Выявление "горячих точек" достигается чаще всего по их оптическим образам, регистрируемым методами ИК-микроскопии и термооптики жидких кристаллов. На протяжении многих лет развитие и совершенствование этих методов происходит параллельно как в направлении повышения чувствительности к мощности локального тепловыделения, так и увеличения геометрического и температурного разрешения оптических образов "горячих точек". В последние годы все разрабатываемые методы ИК-микроскопии основываются на использовании инфракрасных камер и компьютерной техники. Благодаря этому достигнут значительный прогресс в повышении температурного и геометрического разрешения локальных источников тепловыделения. Так, в методе [1] указывается температурное разрешение - 60 мК, геометрическое разрешение - 10 мкм. На основе разработанных методов локальной динамической термографии [2-3] возможна локализация локальных ис-
точников с температурным и геометрическим разрешениями 10 мК и 10 мкм, и даже 100 мкК и 5 мкм [3] соответственно. Локальная ИК-термо-графия, согласно [3], не требует специальной подготовки образцов, не чувствительна к освещению и температуре, что с учетом высоких разрешающих характеристик является важным преимуществом данного метода.
Возможности методов ИК-термографии демонстрируются в основном на образцах солнечных батарей, а не на примерах анализа образцов современных интегральных схем. На приведенных в работах [1-3] снимках "горячие точки" выглядят как светлые области на серо-черном фоне. Контрастность увеличивается при использовании зачерняющих пленочных покрытий, которые прижимаются к исследуемой поверхности образца вакуумным присосом. На снимках топологическая картина образца затемнена и недостаточно четкая (размытая), что свидетельствует о недостаточных увеличении и разрешении методов в видимой области спектра. Это затрудняет координирование локального источника тепловыделения (привязку локального источника к конкретному топологическому элементу образца).
Этого недостатка лишены методы жидкокристаллической термографии, поскольку при их реализации объект исследуется в поле зрения оптического микроскопа. Достоинствами методов ЖК-термографии являются простота их реализации, оперативность, доступность и дешевизна используемых средств. ЖК-термография очень наглядна, понятна и в большинстве случаев анализа отказов является достаточной для локализации источников тепловыделения.
5.1°С 2.1 1.5 1.2 1.1
0 1 222 3 4 5
Размер источника, мкм
Рис. 1. Зависимости мощностей локальных квадратных источников от их размеров и максимальных температур.
нулю. Решение такой задачи для локального источника прямоугольной формы представлено в [4]. На рис. 1 приведены расчетные зависимости мощностей Ри локальных квадратных источников от размеров стороны а квадрата и максимальных температур. Например, точка А определяет источник со стороной а = 2.2 мкм, в центре которого достигается температура Гмакс = 1.2°С при мощности источника Ри = 500 мкВт. При мощности тепловыделения на этом же квадрате Ри = 210 мкВт будет достигаться Гмакс = 0.5°С (точка В).
Графики рис. 1 позволяют оценить возможность обнаружения "горячей точки" при известном температурном разрешении метода термографии. Так, если температурное разрешение метода составляет, например, 0.6°С, то будут определяться те источники, координаты которых на рис. 1 расположены на кривой Г = 0.6°С или выше.
Все современные методы ЖК-термографии "горячих точек" основаны на переходе ЖК в области "горячей точки" из одного фазового состояния в другое и визуальном отличии этих состояний. Чаще всего используется переход ЖК в области "горячей точки" из жидко-кристаллического состояния в изотропное [5-8].
Для целей термографии "горячих точек" в образцах электронной техники можно использовать все типы ЖК: холестерические (ХЖК), гистере-зисные ХЖК (ГХЖК), смектические (СЖК) и не-матические (НЖК), если температуры их фазовых
В практике анализ отказа образца начинается с исследования его вольтамперных характеристик для определения наличия токовых утечек в исследуемых ветвях электрических цепей. После этого возникает задача локализации мест утечки, для чего подозреваемая ветвь цепи нагружается в таком режиме, при котором в области паразитного источника тепловыделения создается температурный рельеф, который визуализируется методами ЖК-термографии.
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ТЕРМОГРАФИИ
В основе термографии локального источника тепловыделения лежит визуализация рельефной составляющей его температурного поля. Полагая размеры источника тепловыделения намного меньшими размеров исследуемого образца (кристалла интегральной схемы, полупроводникового прибора, модуля солнечной батареи и т.д.), оценку величины рельефной составляющей температурного поля источника можно получить из решения задачи, моделирующей теплопроводность для локального источника, действующего на плоскости кремниевого (коэффициент теплопроводности X = 109 Вт/м гр) полупространства. В этом случае температурное поле источника выражается только его рельефной составляющей, так как средняя температура полупространства равна
Т
1 и Т
1 X
Т 1 с
Рис. 2. Положения "горячих точек" относительно границ фазовых переходов в ЖК и изображения "горячих точек" в микроскопах: с боковой подсветкой - для неориентированных ЖК (а); в поляризационных микроскопах - для ориентированных ЖК (б). Обозначения: л - температурный рельеф "горячей точки"; Тс, Тк, Ти - температуры фазовых переходов, соответственно, из твердой в смектическую, из смектической фазы в холестерическую, из холестериче-ской в изотропную; ТФ, СФ, ХФ, ИФ - области состояний ЖК, соответственно, в твердой, смектической, жидко-кристаллической и изотропной фазах; Р0 + L, Р0 || L - соответственно, скрещенные и параллельные поляризаторы; 1 - однородный цвет, 2 - темное пятно, 3 - цветные кольца, 4 - темный фон, 5 - светлое кольцо, 6 - светлое пятно, 7 - прозрачное пятно, 8 - темное кольцо, 9 - прозрачный фон, 10 - иглообразный зернистый фон, 11 - затемненно-проз-рачное пятно, 12 - мелкозернистый фон.
переходов не превышают допустимую температуру эксплуатации образца.
При реализации методов ЖК-термографии необходимо температуру "горячей точки" установить как можно ближе к температуре выбранного фазового перехода. Это достигается с помощью терморегулируемых нагревателей, на которых закрепляются исследуемые образцы. Если ДТр -максимум температурного рельефа "горячей точки", ±ДТ - точность, с которой поддерживается заданная температура (вблизи нижней температуры интервала фазового перехода), ДТи - температурный интервал фазового перехода, то для визуализации "горячей точки" необходимо, чтобы ДТр > > 2|ДТ| + ДТи. Так, если используется нагреватель, который поддерживает заданную температуру с точностью ДТ = ±0.5°С, а температурный интервал фазового перехода ДТи = 0.1°С, то "горячая точка" будет визуализироваться, если максимальная рельефная температура точки ДТр > 1.1°С. Например, если "горячие точки" создают температурные рельефы, соответствующие кривой ДТр = 1.2°С на
рис. 1, то все эти точки будут обнаружены, т.е. это, например, точки с Ри = 1000 мкВт и а = 4.3 мкм, Ри = 215 мкВт и а = 1.0 мкм, и т.д.
Выбор ЖК для обнаружения "горячей точки" производится из условия Тф.п > Тср, где Тф.п - температура соответствующего фазового перехода, Тср -температура среды, в условиях которой производится исследование. Нагреватель должен обеспечивать возможность нагрева образца до температуры, при которой достигается изотропное состояние ЖК на исследуемой поверхности. Нагретая поверхность должна быть изотермической. Чем с большей точностью поддерживается задаваемая нагревателем температура, тем больше возможность обнаружения маломощных "горячих точек".
На рис. 2 методы ЖК-термографии представлены в виде двух групп. Первая группа - это методы неориентированных ЖК, в которых не применяется их однородная ориентация на исследуемой поверхности. Вторая группа - методы, в которых используются приемы и техника для однородной ориентации ЖК.
В первой группе методов используются ХЖК и ГХЖК. На рис. 2 показаны характерные положения рельефов "горячих точек", необходимые для их визуализации. В случае применения ХЖК рельеф может находиться как внутри жидко-кристаллической фазы (ЖКФ), так и частично пересекать фазовый переход Ги - переход о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.