CN103026216B - 三维热点定位 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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***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***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引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***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μm空间分辨率和μK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（μs）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言。

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***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***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）***检测掩埋热源的位置的方法，包括：在测试***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***上；向DUT施加可变频率f_t的测试信号，同时随时间改变测试信号的频率f_t；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f_t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f_t的帧频f_c操作红外摄像机进行DUT的成像。频率f_c可以是频率f_t的至少四倍。该方法还可以包括绘制各频率f_t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***上放置封装的IC；向封装的IC施加选定频率f₀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f_t的测试信号，同时随时间改变测试信号的频率f_t；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。

附图说明

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***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11A是拓扑和锁相幅度图像叠加的LIT结果，而图11B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V_lockin=1.2V，采集时间=40秒，以摄像机的完全帧模式（帧频=100Hz）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_lockin=1Hz，V_lockin=1.2V，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f_lockin=1Hz，V_lockin=1.2V，采集时间=40秒，全帧模式（100Hz），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高的精确度确定相移Δφsin。

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0.2Hz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Δφ和互相关值。

具体实施方式

电子器件，例如***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z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***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μW的高得多灵敏度，结合低至几个μm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：

相位：

为了更好地理解基本信号（S0°，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3-5μm）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（ρ，g/cm³）和施加的锁相频率（f_lock-in，Hz）来计算它。可以将热参数总结为热扩散率（单位mm²/s）。

$\mathrm{\μ}=\sqrt{\frac{2*\mathrm{\λ}}{c_p*\mathrm{\ρ}*2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{lock}-\mathrm{in}}}}=\sqrt{\frac{2a}{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{lock}-\mathrm{in}}}}---\left(3\right)$

热扩散长度μ（单位mm）是热波传播针对每种材料的特性。图2示出了两个范例，模具化合物（实线）和硅（虚线）的热扩散长度。可以看出，模具化合物的热扩散长度显著短于硅。此外，从图2可以看出，施加的频率越低，热波传播到固体材料中越深。因此，减小激励信号的频率允许定位热源，即使通过几百微米的IR不透明材料层也是如此。

由于可以将热扩散长度看做对热波的阻尼因数，它不仅影响幅度，而且影响所得的相位。更高的锁相频率导致热点位置处激励信号和器件表面处热响应之间更高的时间延迟。因此，预计相移根据锁相频率增大而增大。

相位φ和热点深度z之间的关系被描述为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{z}{\mathrm{\μ}}*180/\mathrm{\π}---\left(4\right)$

其中μ表示热扩散长度。图3是针对一毫米材料层下方掩埋的热点，作为所施加锁相频率函数的所得相移的曲线图。实线是针对模具化合物的曲线，而虚线针对硅。

根据一个实施例，利用有限元建模方法研究内部热传播的详细分析以及对所得相移不同影响的分离。使用建模以针对已知的器件建立和定义的热点位置来模拟锁相过程。可以利用2D/3D热建模进行通过3D***封装器件的热传递。假设在器件内部的不同横向和垂直位置有不同的热源，并将针对各种锁相频率的所得相移相关到试验数据，使得能够识别内部热点位置。

作为第一步，利用所采用耗散功率的一半计算考虑了瞬变响应的稳态解以便实现几个周期之内的稳定调制。在到达这种“准稳态”之后，利用脉冲式激励信号激励样本。参考实际的几何结构和热参数（导热率、热容量和密度）选择锁相频率、激励周期数量和中间步骤数量。耗散功率用于对地建模并由各种锁相频率进行脉冲化。此外，在独立的文件中保存时间和功率耗散信号，允许生成相关函数并重建激励信号。生成两条路径，其中一条是读取表面上方的温度调制，一条在样本厚度上方。

图4是根据本发明实施例的***图示。由激励源405产生的频率为f₀的激励信号430激励DUT400。在一个范例中，激励信号430是方波，幅度电压等于DUT的工作电压，例如1.2V，还具有锁相频率f₀。由处理器415的选频器部分420设置并改变激励信号的频率f₀。从处理器415输出同步信号435并向激励源405发送。最简单的是设置同一频率f₀的同步信号435，但它可以是不同频率，只要规定以使激励源405能够在频率f₀产生激励信号430即可。使用IR摄像机410拍摄DUT400选定区域的IR图像。通常，但并非排他地将摄像机410的帧频设置为高于频率f₀。这里将其设置为至少是频率f₀的四倍。这种操作也可以由ATE处理，即，ATE向DUT发送驱动信号，同时向控制器和摄像机发送触发信号。

利用图4的器件，与现有技术不同，由激励源405反复激励DUT400，同时根据选频器420提供的同步信号435改变激励信号的频率f₀。这样能够更好且更精确地识别热点的位置，尤其是其在电子器件之内的深度（即，z方向）。此外，与现有技术不同的是，图4的器件不输出单个相位数据点，而是能够在监视器425上绘制完整的响应曲线。具有完整的响应曲线能够进行进一步分析，例如曲线拟合，以更好地理解DUT之内时间分辨的热耗散。需要指出的是，可以理解，与诸如OBIC、LVP、TREM等标准调试方法不同的是，利用图4的器件，无需重新封装芯片即可以进行测试，标准方法需要解除器件封装并减薄芯片后侧。可以从以下范例理解这些和其他特征。

范例I:单个芯片器件处的热点深度确定

LIT方法可用于非破坏性地确定完全封装单芯片器件内部的热点位置，为以下物理故障分析步骤提供更好的定位。利用具有定义点热源的测试结构研究热点深度、施加的锁相频率和所得相移之间的关系。利用包含铜线曲线的单芯片器件制造测试结构。通过聚焦离子束技术（FIB）局部修改曲线，如图5中上部所示，以产生明确的局部热源。在生成局部高电阻区域之后，通过LIT，利用1.2V的电源电压和5Hz的锁相频率测量单芯片器件，生成耗散功率为14mW的局部热源。图6中示出了利用拓扑图像覆盖的所得幅度。作为下一步，利用模具化合物封装器件，以便在FIB生成的热点和器件表面之间生成材料层。在这种情况下，通过器件和单个芯片的尺度知道了热点的深度，确定为950μm。

图7示出了所研究的完全封装的测试器件草图。如图7所示，双陶瓷直列式封装（DCIP）容纳着具有所生成的缺陷的单个芯片。在芯片上方填充模具化合物，到达芯片顶表面上方950μm的厚度。

基于前面部分解释的理论，通过图4的设备，在0.1到7Hz的频率范围上研究DUT，并测量所得的相移。图8示出了所施加锁相频率和所得相移之间的被研究关系。在理论曲线上绘制实测数据点。显然可以看出，趋势匹配0.1到3Hz锁相频率范围的理论数据。对于5和7Hz而言，获得轻微失配，可以通过因热波的更高阻尼造成的低信噪比加以解释。由于通过测量时间的平方根减少了探测器的随机噪声，所以可以通过更长的测量时间消除这种影响。

针对与理论数据具有良好相关性的模制化合物材料通过试验确定相移和锁相频率之间的关系。获得的结果证明锁相热像研究有潜力对完全封装器件之内的热活动结构或缺陷进行3D定位。

顺便讲到的是，在现有技术中，由于使用单个锁相频率，提供测试结果作为单个数据点，例如图8中所示那些。例如，如果使用的锁相频率为2Hz，那么***的输出会是单个数字，即177.5°。从这个结果，不能分开单一影响（相关误差、几何影响、接触电阻等），而这是用于研究复杂3D结构，例如SiP的必要信息。

为了研究内部热传播和分离对所得相移的不同影响，可以使用有限元建模方法，针对已知器件构造和假设的缺陷位置模拟锁相过程。作为第一步，利用所采用耗散功率的一半计算考虑到瞬变响应的稳态解以便实现几个周期之内的稳定调制。在到达这种“准稳态”之后，利用脉冲式激励信号激励样本。参考实际参数选择锁相频率、激励周期数量和中间步骤数量。考虑封装材料的热参数（导热率、热容量和密度）并将耗散功率施加于模型地并被各种锁相频率进行脉冲化。此外，在独立的文件中保存时间和功率耗散信号，允许生成相关函数并重建激励信号。生成两条路径，其中一条是读取表面上方的温度调制，一条在样本厚度上方。

范例II:叠置管芯器件的缺陷深度确定

为了在叠置管芯集成器件，例如***级封装内部对热点进行3D定位，必须要考虑第二影响因素。在热点位置产生的热波必须要传播通过不同材料层，例如硅、模具化合物、管芯附件带等，每层都具有不同厚度。因此，根据缺陷器件不同管芯处的轴向热点位置，不仅距器件表面的距离，而且热扩散长度都是变化的。因此，与接近器件表面的热点产生的热波相比，叠置体内部下方管芯处的热点产生的热波必须要通过额外的材料层。像前面关于单芯片器件的部分那样，可以使用这种特性，通过在针对不同热点位置的特定频率范围上计算理论相移，确定热点深度。与研究单芯片器件不同的是，假设热点与特定管芯相关，这导致能够使用材料***离散模型的情形。因此，至少在一阶上，总热扩散长度是每个材料层单个热扩散长度的总和。而且，热点的总深度z_total是单个材料层的厚度z_n之和。

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{total}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_n=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\frac{2{\mathrm{\λ}}_n}{c_{p,n}{\mathrm{\ρ}}_{n}2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{lock}-\mathrm{in}}}}---\left(4\right)$

$z_{\mathrm{total}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_n---\left(5\right)$

这种比较示出了为哪个采用的热点深度给出试验和理论数据之间的匹配，其标识叠置体内部有缺陷管芯。不过，这未考虑干涉效应、非线性等。为了研究叠置管芯层次上的这种关系，必须要有具有定义点热源的测试样本，其中可以逐步研究相对于额外材料层的相移变化。为此，制造了叠置的管芯测试器件，如图9A-9D所示。如图9A所示，再次通过对具有金属曲折线的单个测试芯片进行FIB修改来产生点热源。所得的耗散功率测量为2.5mW（0.5V，5mA）。

对于通过叠置管芯样本的热传递的有限元模拟，锁相过程模拟更加复杂，其利用了2D/3D热模型。应用所用的叠置体材料（硅、叠置的管芯胶、模具化合物、铜）和它们的热参数。假设在材料叠置体内部的不同横向和垂直位置有不同的热源，并将针对各种锁相频率的所得理论相移相关到试验数据，识别缺陷位置。

作为第一步，确定与所施加锁相频率相关的相移，可以将其用作位于器件表面的缺点基准。作为下一步，如图9B所示，利用15μm厚度的管芯附着带在制备的测试芯片表面上附着厚度185μm的裸露硅管芯。作为第一近似，可以将管芯附着带的热性质视为类似于模具化合物。因此，额外的管芯附着的层负责更高的所得相移。裸露的硅芯片不应对相移变化有显著贡献，因为它对于IR光是透明的，热传导率高得多。将这个流程再应用两次，最后在所产生的热源结构上方生成具有三个管芯的叠置管芯器件，如图9C和9D所示。

在图10中可以看出这种研究的试验结果。此外，绘制平方根拟合（虚线），以便将试验相移的斜率与理论值比较。绘制的黑色矩形是用于仅测量有缺陷管芯的数据点，如图9A所示。由于缺陷位于器件表面处，所以相移独立于理论预测的所施加的锁相频率。因此，缺陷深度z为零，导致在所有施加的锁相频率上相移都为0°。在缺陷区域上方附着管芯的情况下，可以检测相移与锁相频率的典型相关性，如绘制的菱形所示。进一步添加管芯（绘制为圆的管芯2和绘制为三角形的管芯3）导致由于热波必须要穿透的额外材料（管芯和管芯附着带）造成所得相移持续增大。

通过比较相同频率下不同管芯数量的所得相移，可以看出，额外的185μm管芯层和15μm的管芯附着带导致40-60°之间的相移增大。对于0.1到3的频率范围，管芯1+2下方相移的试验结果实现了与理论相移的良好匹配。

范例III:时间分辨的热响应

传统相位相对于频率的方法一个缺点是需要长的分析时间。利用足够大的SNR测量整个DUT的相位可能花费几分钟（对于厚且低功率样本的高锁相频率，高达几个小时）。图11A和11B示出了利用采集时间=15分钟，在f_lock-in=1Hz和V_lock-in=1.2V测量的典型锁相结果，11A是幅度结果/图像，作为拓扑图像顶部的叠加，拓扑图像是按x和y定位这种缺陷的依据。图11B是表示每个像素局部热延迟的相位结果。由于可以从11A获得热源的x，y定位，所以将最终的3D分析简化为确定热源的z深度，这仅需要恰好在目标热源顶部上测量的相位值。因此，针对所有需要的锁相频率获取图11B所示的整个视场的测量值延长了该过程且未提供额外益处。因此，根据本发明的实施例，减小了摄像机的视场，从而仅测量热点中心附近的小区域，如图11A和11B中的方形所示。例如，根据一个实施例，时间分辨的热响应分析基于利用大大增大的摄像机工作速度在极小窗口（例如16×16像素，如图11A中的黄色框所示，或甚至单个像素）中采集数据来测量必要的波形。在数据采集期间，软件能够实时计算仅覆盖热点精确中心的小窗口或子集（甚至更小区域）的平均值并对数据求平均，与激励（锁相）频率同步，以产生时间分辨的热波形（图12和13中示出了这种波形的范例）。

这个过程显著提高了采集速度，因为SNR基于被平均的数据点的总体数量。通过在整个小窗口上计算平均值，可以通过包括的像素数量（例如8×8=64）提高每帧（拍摄的图像）的SNR。此外，随着视场（FOV）减小，摄像机运行更快，进一步将采集提高了另一5到10倍（例如，假设8倍）。与每个像素仅存储一个相位（平均的）的逐个像素锁相相比，时间分辨的波形的重建需要独立对输入数据求平均值，涉及相对于激励（锁相）周期的其采集时间。假设目标时间分辨率为所利用的激励（锁相）周期的1/40，这会将SNR时间分辨的数据点减少40×，因为必须要在所有时隙上均匀分开采集的数据。利用所用的数字，这会导致大约12.8的总体速度增大。

图12示出了整帧模式（100Hz）下的时间分辨的波形结果，全部都是针对不同的锁相频率，利用V_lockin=1.2V，采集时间=40秒测量的，示出了明显不同的形状波形。图13示出了时间分辨的波形结果，全部是利用V_lockin=1.2V，采集时间=40秒测量的。这些是利用不同尺寸的像素阵列测量的，对于上方曲线图而言，允许高2.61倍的摄像机采集帧速率，显示出大大改进的SNR。设置特定的SNR目标，这允许明确地减少必要的采集时间。与现有技术的单个数据点结果不同，使用时间分辨的波形提供了关于器件之内热传播的更多信息。亦即，通过绘制器件随时间的热响应获得时间分辨的波形。针对不同的锁相频率重复这种测量。可以分析在不同的锁相频率中获得的时间分辨的波形的形状以确定热源深度。例如，可以将波形与各种函数，例如正弦函数、锯齿函数、鱼翅函数等互相关。也可以将波形与校准数据或波形库相关。对时间分辨的波形进行互相关提供了除相移之外的其他深度信息。

根据一个实施例，如图11A中所示，利用摄像机的所有像素，例如传感器（例如InSb探测器）的640×512像素，拍摄初始图像。将图像投射到监视器（图4中的425）上，并为用户提供光标以按照x和y指定热点的位置。还可以任选地为用户提供指定减小的视场的尺寸的能力，例如选择16×16像素的FOV。在用户开始测试序列时，仅从指定的视场收集数据。例如，在每个周期仅读取与16×16像素对应的像素。亦即，并非读取所有像素，例如640×512=327680个像素，而是在每个周期仅读取16×16=256个像素。由于从摄像机收集的数据量减少了超过两个数量级，所以可以在测量过程期间以更高帧频操作摄像机，由此提供了更多数据点进行平均过程。作为另一选项，可以使用具有单个像素的IR传感器。

实现更小视场成像的另一种方式是通过一般称为芯片上分装的方式。在激活芯片上分装时，将来自相邻像素的数据收集到单个数据点中。例如，如果激活2×2分装，那么增加四个相邻像素的值以产生单个读出。通过这种方式，可以以更快的读出速度和改善的信噪比操作摄像机，但代价是空间分辨率降低。另一方面，由于已经确定了热点的空间位置，所以分装过程空间分辨率降低是不相干的，因为测量仅用于确定深度而非空间位置。

图14示出了另一时间分辨的热响应测量，也示出了所用的锁相电压和sin函数，针对产生sin函数和热波形之间最高互相关的延迟而绘制。与在温度信号摆幅的50%处测量相比，互相关允许以更高精确度测量热时间延迟（在锁相电压的上升沿和sin函数的零点之间测量）。此外，可以将互相关值（0和1之间的数字，表示两个相关的函数/曲线有多么类似；0=不相关，1=相同）作为第二结果，提高缺陷深度测量的精确度和可靠性。

利用多个预定义函数进行互相关能够以定量和可再现方式分析热波形的形状。图15中示出了这种想法，其中示出了具有非sin状形状的热波形，与锁相电压和三个不同相关函数比较。全部三个相关函数将提供不同的延迟值，由此sin（绿色虚线）和指数充电/放电曲线（exp；红色实线）与方波相比将具有明显更高的互相关值。所有这些值（结果）都可用于和理论或试验导出的参考数据比较，以利用足够高精确度产生缺陷深度定位（例如，确定封装中管芯叠置体的缺陷层）。

从上文可以理解，本发明的实施例能够利用锁相热成像法对热点，即电子器件内部电结构或缺陷产生的热点进行定量和非破坏性的3D定位。基于热波的物理原理确定所用锁相频率和相移之间的关系。针对热点掩埋在单个厚度未知材料层下方的情况和热点掩埋于叠置管芯器件内部未知数量管芯下方的情况这样做。可以看出，即使在模具化合物的厚层下方，也可以在所有三个维度上定位掩埋的热点。

此外，可以测量***级封装架构的不同管芯层，表明有显著的相移差异，能够精确确定通过封装的有缺陷管芯。由于具有复杂热性质的叠置管芯的不均质材料叠置体的原因，必须要在不同的锁相频率采集多个LIT结果。本发明的实施例实现了采集并分析这些结果以进行热点深度计算的方法。

本发明的实施例还能够利用时间分辨的热响应，基于点测量，进行更精确的热点深度分析。这样能够显著减少必要的测量时间。此外，除了热时间延迟之外，它还能够对所采集热波形的形状进行更详细的数据分析。

应当理解，这里描述的工艺和技术并非固有地涉及任何特定设备，可以通过任何适当的部件组合来实施。此外，根据这里描述的教导可以使用各种通用器件。也可以证明有利的是构造出专用设备以执行这里所述的方法步骤。

已经结合特定范例描述了本发明，在所有方面中它们都是为了例示而非限制。本领域的技术人员将认识到，硬件、软件和固件的很多不同组合将适于实践本发明。此外，考虑这里公开的本发明的技术规格和实践，本发明的其他实施方式对于本领域的技术人员将是显而易见的。技术规格和范例应被视为仅仅是示范性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求指出。

Claims (25)

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***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的表面上的横向温度分布，从而空间定位热点；

将所述红外传感器的视场减小至所述热点的中心周围的小面积；

增大所述红外传感器的工作速度；

使用所述红外传感器的减小的视场和增大的工作速度对所述样本进行成像；

与测试信号锁相频率同步地计算横跨所述减小的视场所采集的数据的多个平均值；

根据所述多个平均值来生成时间分辨的热波形；以及

分析所述时间分辨的热波形的形状，从而确定所述热点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，还包括检测所述测试信号与所述样本的热响应之间的所得到的相移并且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2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2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，其中减小所述视场包括仅从来自所述红外传感器的像素子集读取数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其中减小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)***检测掩埋热源的位置的方法，包括：

在测试***上放置被测器件(DUT)；

向所述被测器件施加测试信号；

在向所述被测器件施加所述测试信号的同时，利用红外(IR)摄像机对所述被测器件进行成像；

检测样本表面上的横向温度分布，以在横向上定位所述热源；

减小所述红外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被测器件施加电激励信号；

在向所述被测器件施加测试信号时，利用所述减小的视场对所述被测器件进行成像；

检测所述被测器件的表面上的横向温度分布；

与所述被测器件之内的热传播相关地，检测并分析在所述电激励信号和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移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，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。

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，其中减小所述红外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红外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，其中减小所述红外摄像机的所述工作面积包括使用单个像素的红外传感器。

15.一种利用锁相热像(LIT)***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：

以锁相频率向所述被测器件施加测试信号；

在向所述被测器件施加所述测试信号的同时，利用红外摄像机对所述被测器件进行成像；

检测样本表面上的横向温度分布，以横向定位所述热源；

减小所述红外摄像机的工作面积以获得减小的视场，从而允许增大所述红外摄像机采集的帧频；

接下来以多个不同的锁相频率向所述被测器件施加电激励信号；

在向所述被测器件施加所述电激励信号时，利用所述减小的视场对所述被测器件进行成像并且与所述锁相频率同步地实时计算平均值，从而产生在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激励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，其中减小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热波形的相移。

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***，包括：

用于安装所述封装的被测器件并连接所述被测器件以从激励源接收激励信号的试验台；

被定位成获得所述被测器件的红外图像的红外摄像机；

视场选择器，限制所述红外摄像机的视场；

处理器，生成频率f_t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f_t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，

其中所述被测器件由所述激励源产生的频率为f_t的所述激励信号反复激励，同时根据所述选频器提供的所述同步信号改变所述激励信号的频率f_t。

25.根据权利要求24所述的***，其中所述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。