JP5992966B2 - ３次元ホットスポット位置特定 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１０年６月８日出願の米国仮特許出願第６１／３５２，７３８号明細書の利益を請求し、そのすべての内容がここに参考文献として援用される。

１．発明の技術分野
本発明は、電子デバイスに埋没した抵抗熱源（ホットスポット）の位置特定技術に関する。開示した発明によると、ホットスポットの位置を見つけることができ、ロックイン増幅した赤外線画像を利用して欠陥被膜層における熱波伝搬を解析することにより３次元ですべて正確に位置を特定することができる。特に、本発明は、システムインパッケージデバイスにおける垂直積層の集積回路および相互接続層における熱活性構造体または欠陥の３次元位置を非破壊で特定可能にする。
２．関連技術

３次元アーキテクチャを持つ今の複雑なシステムインパッケージデバイスの故障解析はますます難しくなっている。そのようなデバイスでは、数個の集積回路ダイが垂直に積層され、ワイヤボンドまたは貫通シリコンビア技術により相互接続さている。内部の電子構造体または相互接続へのアクセスおよび解析は、磁気顕微鏡法や、信号追跡に用いられる時間領域反射率測定法のような非破壊技術に制限される。両手法では解像度が制限され、電気的欠陥の３次元位置特定は非常に限定的かまたは大規模である。３次元アーキテクチャにおける埋没した電子構造体への光学アクセスは遮光材質層によって制限されるため、ＯＢＩＲＣＨまたは放射顕微鏡法のような標準的な故障位置特定方法はほとんど利用することができない。これは３次元システムインパッケージの場合にはもっとも致命的となる。熱活性構造体および欠陥は、深部ダイや、遮光ダイ接着剤で覆われた相互接続階層、再分配または密封層に埋没していることがあるからである。個別の故障解析のために個々のダイを分離することは、欠陥の位置を特定するための選択肢の一つではあるが、この処理には非常に時間がかかり、準備に起因して新たな欠陥が付加される高い危険性があり、故障検出の成功率を著しく低下させてしまうおそれがある。

現在、電気的に刺激され得る熱欠損の位置特定技術として以下のものがある。
ロックインサーモグラフィ

ロックインサーモグラフィは、画素デュアルチャネルロックイン相関と組み合わせた赤外線感知カメラを用いて、直接赤外線画像により試料の全域でごく僅かな温度変動を検出する非破壊技術のことをいう。ロックインサーモグラフィは、μｍの空間分解能およびμＫの感度でｘおよびｙ座標における熱活性構造体および欠陥の位置を特定するが、これまでのところ深さの位置特定は不可能である。
均質熱特性を持つ材料層の内部または下部におけるホットスポットの深度

熱均質材料には表面下部の熱源の深度と熱が表面に到達するまでの時間との間に略線形の依存関係がある。この熱時間遅延は位相信号に比例し、デュアルチャネルロックインサーモグラフィによって測定することができる。デュアルチャネルロックインサーモグラフィにより、熱源の表面までの距離、したがって材料層の内部または下部の深度が再計算される。
熱スコープ

従来の時間分解熱の測定結果により、試料の熱応答をマイクロ秒（μｓ）およびミリケルビン（ｍＫ）の精度で検出および表示することができる。
熱パルス吸収解析

表面（裏面または上面）へのパルス熱および時間分解による温度分布および拡散の測定に基づく。パルス位相サーモグラフィは、表面下の層間剥離、材料不純物、空隙などを検出することができる。パルス位相サーモグラフィは、脆弱な溶接接合を非接触で検知するのに用いられる（例えば、ドイツのThermosensorik社を参照）。ロックインサーモグラフィと比較して、熱パルス吸収は感度が低く空間分解能も低い。

以下の発明の概要は、本発明のいくつかの局面と特徴の基本を理解するためのものである。当該概要は、本発明の外延的概要ではなく、したがって本発明の要点および決定的要素を具体的に特定したり、本発明の範囲を詳述したりする意図はない。後述の詳細な説明への導入として本発明のいくつかの概念を簡略化した形態で提示するに過ぎない。

ロックインサーモグラフィを用いて非破壊で熱源の位置を特定するための新たな手法が開示される。ロックインサーモグラフィ法は、非常に高感度でホットスポットの検出用に扱い易く、ダイおよびパッケージレベルの欠陥の位置特定に利用することができる。定量的ロックインサーモグラフィ解析および埋没した熱源の３次元的割り当てのために、熱波伝搬の基本原理、すなわちホットスポット領域上の材料層の熱および幾何学的配置特性の依存関係を理解する必要がある。

本発明の局面により、ロックインサーモグラフィ法による位相および時間分解熱応答の測定結果に基づく埋没したホットスポットの３次元的割り当てが提供される。また、多数の積層から非破壊の測定結果により一または複数の熱活性構造体を判別する方法が開示される。当該熱活性構造体は、電気信号を印加することで刺激を受け得るものであり、積層内部の熱活性構造体にて生成され、デバイスの表面で検出される。

ロックインサーモグラフィ（ｘおよびｙにおけるホットスポットの高速な位置特定）と（ｚ方向におけるホットスポットの位置特定のための）さまざまな励振周波数での時間分解熱応答の測定結果とを組み合わせることで、高速で確実な熱活性構造体の検出が可能となる。

完全にパッケージ化された電子デバイスの内部のｘおよびｙにおける熱源の非破壊位置特定に加えて、本発明の実施形態は、印加した励振周波数に応じた位相ずれ（ロックインサーモグラフィの場合）および／または熱時間遅延（時間分解熱応答の測定結果の場合）を測定および解析することによりカプセルじゅうの欠陥層（ダイ）の位置特定を可能にする。

本発明の実施形態はカプセル化された集積回路に関するものであるが、本発明は、バッテリ、太陽電池、電力デバイス、ＬＥＤなどの電気的刺激によりホットスポットを生成する他のデバイスにも適用可能である。したがって、被検査体という言葉はこれらデバイスにも当てはまる。
本発明の実施形態に係る方法は、ロックインサーモグラフィを用いて試料に埋没した熱源の位置を特定する方法であって、前記試料を検査システム上に配置し、複数のさまざまなロックイン周波数で前記試料に検査信号を印加し、前記試料に前記検査信号を印加しながら赤外線センサを用いて前記試料を撮影し、前記撮影した画像から前記試料の表面の横断的な温度分布を検出し、前記検査信号と前記画像から得られる熱応答との間で生じる位相ずれを前記試料内の熱波搬と相関させて検出および解析し、前記横断的な温度分布を解析して前記熱源の横断的な位置を取得し、各熱源位置における前記位相ずれを解析して前記試料内のその深度位置を特定する。また、本発明の実施形態に係る方法は、さらに、さまざまなロックイン周波数での前記位相ずれをプロットし、定量位相値に加えて前記プロットした位相対周波数曲線の傾きを解析して分解能および測定値の信頼性を改善する。熱波伝搬の解析解により周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記検出した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する解析を行ってもよい。また、熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記検出した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する解析を行ってもよい。

本発明の実施形態に係る方法は、ロックインサーモグラフィを用いて試料に埋没した熱源の位置を特定する方法であって、前記試料を検査システム上に配置し、前記試料に検査信号を印加し、前記試料に前記検査信号を印加しながら赤外線センサを用いて前記試料を撮影し、前記撮影した画像から前記試料の表面の横断的な温度分布を検出し、前記横断的な温度分布を解析して前記熱源の横断的な位置を取得する方法において、複数のさまざまなロックイン周波数で前記試料に検査信号を印加し、前記検査信号と前記画像から得られる熱応答との間で生じる位相ずれを前記試料内の熱伝搬と相関させて検出および解析し、各熱源位置における前記位相ずれを解析して前記試料内のその深度位置を特定することを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係る方法は、さらに、さまざまなロックイン周波数での前記位相ずれをプロットし、定量位相値に加えて位相対周波数曲線の傾きを解析してＺ分解能および測定値の信頼性を改善する。

本発明の実施形態に係る方法は、ロックインサーモグラフィシステムを用いて埋没した熱源の位置を特定する方法であって、被検査体を検査システム上に配置し、経時的に検査信号のロックイン周波数を変えながら前記被検査体にさまざまなロックイン周波数の電気信号を印加し、前記被検査体に前記検査信号を印加しながら赤外線カメラを用いて前記被検査体を撮影し、赤外線画像を用いて可変ロックイン周波数での時間分解熱波形を生成し、モニタに前記時間分解熱波形を表示し、相関関数を用いて前記時間分解熱波形を解析して前記電気信号と関連熱波形との間の位相ずれを特定する。

本発明の実施形態に係る方法は、高速信号を捕捉するウィンドウ環境の考えを利用したロックインサーモグラフィを用いて試料に埋没した電気活性熱源の位置を特定する方法であって、前記試料に電気励振信号を印加し、前記試料に前記電気励振信号を印加しながら赤外線カメラを用いて前記試料を撮影し、前記試料の表面の横断的な温度分布を検出して横断的に前記熱源の位置を特定し、前記赤外線カメラの動作領域を縮小して前記熱源が位置特定された領域のみ撮影し、すなわち、より速いカメラ捕捉速度すなわちフレームレートを得るための一般にサブアレイまたはウィンドウ環境と呼ばれる動作をする方法において、前記カメラの画素の一部のみからデータを読むことで前記赤外線カメラの前記動作領域を縮小し、複数のさまざまなロックイン周波数で前記試料に電気励振信号を続けて印加し、前記試料に前記電気励振信号を印加しながら前記ウィンドウ環境で動作する赤外線カメラを用いて前記試料を撮影し、前記試料の表面の横断的な温度分布を検出し、前記電気励振信号と熱応答との間で生じる位相ずれを前記試料内の熱伝搬と相関させて検出および解析し、前記生じた位相ずれを解析して電気的活性の熱源の深度位置を取得する。

本発明の実施形態に係る方法は、一または複数の相関関数を用いて、例えば非限定的に、正弦、余弦、方形、シャークフィン、指数関数的充放電曲線などの所定の波形との自己相関または相互相関を用いて前記時間分解熱波の形状を定量的に解析し、それにより得られる相関係数対ロックイン周波数のマトリクスを生成する。

本発明の局面に従った方法は、被検査体における欠陥の位置を特定する方法であって、前記被検査体を検査システム上に配置し、経時的に検査信号の周波数ｆ_１を変えながら前記被検査体にさまざまな周波数ｆ_１の前記検査信号を印加し、前記被検査体に前記検査信号を印加しながら赤外線カメラを用いて前記被試験体を撮影し、前記被試験体の赤外線画像について前記検査信号の周波数ｆ_１からの位相ずれを特定し、前記位相ずれを前記被検査体内部の深度測定値に関連付ける。前記被検査体の撮影は、周波数ｆ_１よりも高いフレームレートｆ_ｃで前記赤外線カメラを操作することで行うことができる。周波数ｆ_ｃは、周波数ｆ_１の少なくとも４倍であってもよい。当該方法は、さらに、時間分解位相ずれ対周波数ｆ_１をプロットしてもよい。

さらに本発明の局面に従った方法は、密封された集積回路における欠陥の位置を特定する方法であって、前記密封された集積回路を検査システム上に配置し、前記密封された集積回路に周波数ｆ_０が選択された第１の検査信号を印加し、前記集積回路に前記第１の検査信号を印加しながら前記集積回路の赤外線画像を取得し、前記赤外線画像から注目領域を選択し、前記赤外線カメラの視野を縮小し、経時的に前記検査信号の周波数ｆ_１を変えながら前記密封された集積回路にさまざまな周波数ｆ_１の一連の検査信号を印加し、前記集積回路に前記検査信号を印加しながら視野が縮小された前記赤外線カメラを用いて前記集積回路を撮影し、前記画像を用いて時間分解熱波形を生成し、前記波形を用いて前記集積回路における欠陥の深度を特定する。

本発明の他の側面および特徴は、以下の図面を参照しながら行われる発明の詳細な説明から明らかになるであろう。なお、発明の詳細な説明および図面は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明のさまざまな実施形態のさまざまな非限定的な例示に過ぎない。

図１は、基本ロックインサーモグラフィ相関信号（実数部および虚数部）および結果として生じる振幅ベクトルおよび左から右にかけてデバイス表面に対する欠陥位置の距離が増大するときの位相ずれを示す複素ベクトル図である。 図２は、シリコンおよびモールド化合物の印加ロックイン周波数に応じた熱拡散長のプロット図である。 図３は、シリコンおよびモールド化合物の１ｍｍ材料層下の想定される欠陥に対する印加ロックイン周波数に応じて生じる位相ずれのプロット図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るシステムの構成図である。 図５は、集束イオンビームに基づく回路エディットを用いて局在的な欠陥の生成を示す画像である。 図６は、図５に示した例の人工的に生成された欠陥（基準熱源）によって生成される熱を示す、トポグラフィ画像に重ねた熱強度（振幅）の画像である。 図７は、被検査体の簡易図である。 図８は、印加ロックイン周波数に関する実験的および理論的な位相ずれのプロット図である。 図９Ａ〜９Ｄは、実験構成の略図である。 さまざまな数のダイを有する調査対象の積層デバイス（図９Ａ〜9Ｄに示したような被検査体）の実験結果のプロット図である。 図１１Ａは、トポグラフィおよびロックイン振幅画像にロックインサーモグラフィの結果を重ねた画像、図１１Ｂは、位相の結果を重ねた画像である。 図１２は、さまざまなロックイン周波数について、カメラのフルフレームモード（フレームレート＝１００Ｈｚ）でＶ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１．２Ｖ、捕捉時間＝４０秒にして測定した時間分解熱応答（または熱波形）のプロット図である。 図１３は、カメラのさまざまなサブフレームモード（ウィンドウ環境、高フレームレート）でｆ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１Ｈｚ、Ｖ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１．２Ｖ、捕捉時間＝４０秒にして測定した時間分解熱応答（または熱波形）のプロット図である。 図１４は、ｆ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１Ｈｚ、Ｖ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１．２Ｖ、捕捉時間＝４０秒、フルフレームモード（１００Ｈｚ）で、最大相互相関の遅延点で励振／ロックイン電圧および正弦関数を重ねた時間分解熱応答のプロット図である。相互相関結果を用いてさらに正確に位相ずれΔφ_ｓｉｎを特定することができる。 図１５は、相互相関に用いられるさまざまなポテンシャル関数と比較した、ロックイン電圧に対して０．２Ｈｚで測定された時間分解熱応答（図１２参照）の図であり、さまざまなΔφおよび相互相関値を有する正弦関数、指数関数的充放電関数、および方形関数を示す。

電子デバイス、例えばシステムインパッケージの３次元アーキテクチャはいくつかの集積回路ダイから構成されており、ダイは、ともに垂直に積層され密封された再分配層を取り付けるまたは相互接続している。したがって、そのような密封された電子デバイスは、シリコン、ポリマ、および酸化シリコン絶縁体、金属線および配線、接着剤および／または粘着剤、密封モールドなどの異種材料が積層されている。それゆえ、ホットスポット位置から始まる内部の熱伝搬は非常に複雑である。したがって、ｚ方向、すなわち、試料の深さ方向のホットスポット欠陥の位置を特定することは難しい。さらに、複雑な欠陥、または、試料タイプによって、ホットスポット位置での電力変換の観点から非理想的なホットスポット活動が生じることがある。ここでは、そのようなデバイスにおける熱源（例えば、熱活動構造体または欠陥）の位置を正確に特定することができるさまざまな実施形態を開示する。

本発明のさまざまな実施形態は、所定の多数の周波数を用いてデバイスを励振（主にデューティサイクル５０％の方形波電圧信号だがこれに限られない）する。励振と熱応答対周波数曲線との間に生じる位相ずれを解析することで、シミュレートおよび／または事前校正されたデータとの比較を含む、必要なホットスポットの深度計算精度が達成される。また、時間分解熱応答の測定結果（熱スコープの表示のようなもの）を用いて、大幅に低減された解析時間で熱波がより正確に完全に解析される。

本発明の実施形態は、電気的刺激と熱応答および自動および半自動データ解析用に測定した波形の形状との間の位相ずれ／時間遅延を定量的に測定する。波形形状解析は、測定結果と所定の関数（例えば、正弦、余弦、シャークフィン、三角、方形）との間の相互相関に基づいて行うことができ、単なる印加されたロックインごとの位相値ではなく相関マトリックスを生成する。

本発明の実施形態には、ロックイン周波数をスキャンすることでより多くのデータ点が計測され、個々の絶対的な位相値だけではなく位相対周波数の形状／傾きも解析できるといった利点がある。これにより、明確な位相ずれ／時間遅延測定値が高い検出精度で提供でき、さらに、１個の位相測定値では誤った結果が導かれてしまう非理想的なホットスポット活動で３次元の位置特定が可能となる。また、時間分解熱応答の測定結果により、解析周波数ごとに必要な捕捉時間を１０倍、場合によっては１００倍まで実質的に低減することができる。さらに、獲得した完全波形により、熱時間遅延および波形形状の定量的解析に基づいて、深度測定値の精度を向上することができる。これら向上は、現在および将来の多重層電子デバイス、すなわち、３次元システムインパッケージ技術における単層を解消するのに必要なものとして期待される。熱伝搬の定量的解析によりホットスポットの（半）自動の３次元位置特定が可能となる。

定常状態サーモグラフィと比較してロックインサーモグラフィの主たる利点は、数μＷまで細かな超高感度と数μｍまで細かな高空間分解能とが同時に達成できる点にある。これらパラメータを取得するために、被検査体は、選択周波数（ロックイン周波数）による電源電圧で定期的に刺激が与えられる。デバイス表面に生じる熱応答は赤外線カメラで検出され、２つの相関関数を用いて励振信号の同相部（Ｓ０°）および異相部（Ｓ９０°）に分けられる。この処理により、ホットスポット深度の位置特定に必要な情報を含む振幅および位相信号の計算が可能となる。

基本信号（Ｓ０°，Ｓ９０°）と生じる振幅および位相情報との間の関係をよりよく理解するために、図１に示すように、０°および９０°信号を複素ベクトルにして描画する。得られる両部のベクトルは振幅Ａ（図１において点“Ｓ”に向かう矢印）を表し、０°と生じる振幅ベクトルとの間の角度は位相φで表される。位相値は励振信号と測定された熱応答との間の時間遅延として考えられる。

一般に、検査は検出赤外線波長（典型的に、しかし非限定的には３〜５μｍ）を透過させないホットスポット領域上の材料を有するデバイスで行われるため、熱波はこの材料を伝搬し、ホットスポット上のデバイス表面の熱が周期的に上昇し、ロックインサーモグラフィによって測定可能となる。熱拡散過程の基礎である時定数により励振信号と熱応答との間の位相ずれが決まる。熱遅延の主原因はモールド化合物、ダイ接着剤、ポリマ、および酸化シリコン絶縁体のような低い熱伝導性の材料層であり、より高い熱伝導性を有するシリコンダイまたは金属層は主原因ではない。簡単に言うと、ホットスポットとデバイス表面との間の距離が長いほどより大きな位相ずれが生じる。逆に、ホットスポット上の材料の熱特性がわかれば、位相ずれを測定することでホットスポットの未知の深度を特定することができる。

材料層の熱特性の影響度を表すパラメータをここではバルク材料内部の熱波のダンピングを表す熱拡散長（μ）と呼ぶ。これは熱波の振幅をｅ^−１に落としたときの固有長として定義される。これは、式（３）に示したように、熱伝導性（λ、単位Ｗ／ｍ＊Ｋ ）、比熱容量（ｃｐ、単位Ｊ／ｇ＊Ｋ）、密度（ρ、単位ｇ／ｃｍ３）、および印加されるロックイン周波数（ｆ_{ｌｏｃｋ−ｉｎ}、単位Ｈｚ）といった熱パラメータにより計算することができる。熱パラメータは熱拡散性（ａ、単位ｍｍ^２／ｓ）としてまとめることができる。

熱拡散長μ（単位ｍｍ）は、熱波が伝搬する材料ごとに固有である。図２は、モールド化合物（実線）およびシリコン（破線）の２例の熱拡散長を示す。シリコンと比較してモールド化合物の熱拡散長は極めて短いことがわかる。さらに図２から、印加する周波数が低いほど熱波は固体材料の深くまで伝搬する事がわかる。したがって、励振信号の周波数を下げることで、たとえ数百ミクロンの赤外線非透過層であっても熱源の位置を特定することができる。

熱拡散長は、熱波に対するダンピングファクタとみなせるため、振幅だけではなく生じる位相にも影響を及ぼす。ロックイン周波数が高くなるほど、ホットスポット位置の励振信号とデバイス表面の熱応答との間の時間遅延がより大きくなる。それゆえ、ロックイン周波数の増大に応じて位相ずれが増大することが予想される。

位相φとホットスポットの深度ｚとの間の関係は次のように表される。
ここで、μは熱拡散長を表す。図３は、１ｍｍの層の下に埋没したホットスポットに印加するロックイン周波数に応じて生じる位相ずれのプロット図である。実線はモールド化合物を表し、破線はシリコンを表す。

一実施形態では、内部の熱伝搬および生じる位相ずれへのさまざまな影響の分離の詳細な解析を、有限要素モデリングを用いて調べている。このモデリングにより、既知のデバイス構築および明確なホットスポット位置へのロックイン処理がシミュレートされる。３次元システムインパッケージデバイスじゅうの熱伝達は、２次元／３次元の熱モデリングを用いて行うことができる。デバイス内部のさまざまな横位置および縦位置にさまざまな熱源があると仮定し、さまざまなロックイン周波数で生じる位相ずれを実験データに相関させることにより、内部のホットスポット位置の特定が可能となる。

まず、数周期以内に安定的変化に至るように、想定される消費電力の半分を用いて、過渡応答とみなせる定常状態解が算出される。この「準定常状態」に到達した後、試料にパスル状の励振信号の刺激が与えられる。ロックイン周波数、励振周期数、および中間段階数は、実際の幾何学的配置および熱パラメータ（熱伝導性、熱容量、および密度）を参照して選択される。消費電力はモデル接地に印加され、さまざまなロックイン周波数で振動する。さらに、時間および電力消費信号が別々のファイルに保存され、相関関数の生成および励振信号の再構築が可能となる。２つのやり方ができ、一つは表面全体の、もう一つは試料の厚さ全体の温度変化を読み取ることである。

図４は、本発明の一実施形態に係るシステムの構成図である。被検査体４００は、励振源４０５によって生成される周波数ｆ_０の励振信号４３０によって刺激される。一例として、励振信号４３０は、被検査体の動作電圧、例えば、１．２Ｖの振幅電圧およびロックイン周波数ｆ_０の方形波である。励振信号の周波数ｆ_０は、処理部４１５の周波数選択部４２０によって設定および変更される。同期信号４３５は処理部４１５から出力され、励振源４０５に送られる。励振源４０５が周波数ｆ_０の励振信号４３０を生成できるようであれば、同期信号４３５を同じ周波数ｆ_０に設定することがもっとも簡単であるが、別の周波数でもよい。赤外線カメラ４１０は、被検査体４００の選択領域の赤外線画像を撮影するためのものである。カメラ４１０のフレームレートは通常、しかし非限定的に、周波数ｆ_０よりも高く設定される。ここでは、周波数ｆ_０の少なくとも４倍に設定されるものとする。また、この動作はＡＴＥが実行することができる。すなわち、ＡＴＥは被検査体にデバイス信号を送るとともにコントローラおよびカメラにトリガ信号を送る。

従来技術とは異なり、図４の構成では、周波数選択部４２０から供給される同期信号４３５に応じて励振信号の周波数ｆ_０を変化させながら、被検査体４００が励振源４０５により繰り返し刺激される。これにより、ホットスポットの位置、特に電子デバイスの深度（つまりｚ方向）を質的および量的に優れた精度で検出することができる。さらに、従来技術とは異なり、図４の構成は１個の位相データ点を出力するのではなく、モニタ４２５に全体的な応答曲線をプロットすることができる。全体的な応答曲線を示すことで、曲線の当てはめなどのさらなる解析をして被検査体内の時間分解熱消費をよりよく理解することができる。特に、当然のことながら、ＯＢＩＣ、ＬＶＰ、ＴＲＥＭなどのデバイスの被膜剥離およびチップ背面の薄削が必要な標準的なデバッグとは異なり、図４の構成では、チップの被膜剥離をすることなく検査が行われる。これらと他の特徴は以下の例から理解することができる。
例Ｉ：単一チップデバイスにおけるホットスポットの深度特定

ロックインサーモグラフィ法を用いて、下記の故障解析工程とよく適合して完全密封の単一チップデバイス内のホットスポットの位置を非破壊で特定することができる。ホットスポットの深度、印加されるロックイン周波数、および生じる位相ずれの間の関係は、定点熱源を持つ検査構造体を用いて調査した。検査構造体は、蛇行する銅線を含む単一チップデバイスを用いて作成した。図５の上部に示したように、蛇行は集束イオンビーム技術により局所的に修正され、はっきりした局所熱源が生成された。局所的な高抵抗領域が生成された後、単一チップデバイスを、１．２Ｖの電源電圧および５Ｈｚのロックイン周波数のロックインサーモグラフィで、消費電力が１４ｍＷである局所熱源を生成して測定した。図６に、生じる振幅をトポグラフィ画像に重ねて示す。次に、デバイスをモールド化合物で密封し、集束イオンビームによって生成されたホットスポットとデバイス表面との間に材料層を形成した。この場合、ホットスポットの深度はデバイスおよび単一チップの寸法から知ることができ、９５０μｍと特定された。

図７は、調査した完全密閉の検査デバイスの簡略図である。図７に示したように、人工的に生成された欠陥を有する単一チップはＤＣＩＰ（dual ceramic in-line package）で覆われている。チップの表面上の厚さが９５０μｍとなるようにチップ上をモールド化合物で埋めた。

前節で説明した理論に基づいて、図４の装置で０．１から７Ｈｚの周波数範囲で被検査体を調査し、生じる振幅を測定した。図８は、印加したロックイン周波数と生じる位相ずれとの間の関係の調査結果を示す。理論曲線に重ねて測定データ点をプロットしている。明らかに、０．１から３Ｈｚのロックイン周波数範囲では論理データに一致する傾向が見られる。５および７Ｈｚではわずかにずれがあるが、これは熱波の高ダンピングによる低ＳＮ比により説明がつく。この影響は測定時間を長くすることにより排除することができる。検出器の確率的ノイズは測定時間の平方根に従って減少するからである。

論理データと高い相関があるモールド化合物について位相ずれとロックイン周波数との間の関係を実験的に特定した。結果は、完全密閉のデバイス内の熱活性構造体または欠陥の３次元位置特定にロックインサーモグラフィ調査が有効であることを示すものである。

ところで、従来技術では、単一のロックイン周波数を用いたため、検査結果は図８に示したように単一のデータ点として得られた。例えば、ロックイン周波数が２Ｈｚであったとしたら、システムの出力は単一の数、すなわち１７７．５°となるであろう。この結果から、システムインパッケージのような複雑な３次元構造体の調査に必要な情報である単独の影響（相関誤差、幾何学的配置の影響、接触抵抗など）を分離することができない。

内部的な熱伝搬の調査および生じる位相ずれに及ぼされるさまざまな影響の分離のために、有限要素モデリング法を用いて、既知のデバイス構築および想定される欠陥位置へのロックイン処理のシミュレーションが可能である。まず、数周期以内に安定的変化に至るように、想定される消費電力の半分を用いて、過渡応答とみなせる定常状態解が算出される。この「準定常状態」に到達した後、試料にパスル状の励振信号の刺激が与えられる。ロックイン周波数、励振周期数、および中間段階数は、実際のパラメータを参照して選択される。密封材料の熱パラメータ（熱伝導性、熱容量、および密度）が考慮され、消費電力はモデル接地に印加され、さまざまなロックイン周波数で振動する。さらに、時間および電力消費信号が別々のファイルに保存され、相関関数の生成および励振信号の再構築が可能となる。２つのやり方ができ、一つは表面全体の、もう一つは試料の厚さ全体の温度変化を読み取ることである。
例ＩＩ：ダイ積層デバイスにおける欠陥の深度特定

例えばシステムインパッケージなどのダイ積層デバイスの内部の３次元ホットスポット位置特定のために、影響の第２の要因を考慮しなければならない。ホットスポット位置に生成される熱波は、シリコン、モールド化合物、ダイ接着テープなどのさまざまな厚さのさまざまな材料層に伝搬する。結果として、欠陥デバイスのさまざまなダイにおける軸方向ホットスポット位置に応じて、デバイス表面までの距離だけではなく熱拡散長までもが変化する。それゆえ、積層のより下層のダイのホットスポットで生成された熱波は、デバイス表面近くのホットスポットで生成される熱波と比較して多くの材料層を通ることとなる。単一チップデバイスに関する前節と同様に、この挙動を用いて、さまざまなホットスポット位置についてある周波数範囲の理論的な位相ずれを算出することでホットスポットの深度を特定することができる。単一チップデバイスの調査とは異なり、ホットスポットは離散モデルの材料システムを用いることができる状況に変化する特定のダイに関連することを前提としている。それゆえ、少なくとも１次オーダーまで、全体の熱拡散長は各材料層の単独の熱拡散長の総和である。また、ホットスポットの全体の深度ｚ_{ｔｏｔａｌ}は単独の材料層の厚さｚ_ｎの総和である。

この対比により、想定されるどのホットスポットの深度で実験データと論理データとが一致するかが示され、積層内部の欠陥ダイが特定される。しかし、これは干渉効果、非線形性などを考慮していない。積層ダイのレベルでのこの関係を調査するために、追加の材料層に対する位相ずれの変化を段階的に調査することができる、 位置が明確な熱源を持つ検査試料が必要である。このため、図９Ａ〜９Ｄに示すように、ダイ積層検査デバイスを作成した。図９Ａに示すように、点熱源は、金属蛇行線を持つ単一検査チップの集束イオンビーム修正によって同じく生成した。生じる消費電力を計測したところ２．５ｍＷ（０．５Ｖ，５ｍＡ）であった。

ダイ積層試料への熱伝達の有限要素シミュレーションにおいて、ロックイン処理のシミュレーションは２次元／３次元熱モデルを用いる非常に複雑なものである。使用される積層材料（シリコン、積層ダイ接着剤、モールド化合物、銅）およびそれらの熱パラメータが適用される。材料層の内部のさまざまな横方向および縦方向の位置におけるさまざまな熱源およびさまざまなロックイン周波数に関して得られる論理的な位相ずれと実験データとの相関性を想定することで欠陥位置が特定される。

まず、印加されるロックイン周波数に関する位相ずれを特定した。これは、デバイス表面における基準の欠陥位置として用いることができる。次に、図９Ｂに示したように、準備した検査チップの表面に厚さ１５μｍのダイ接着テープを用いて厚さ１８５μｍのシリコンダイ素地を取り付けた。第一近似としてダイ接着テープの熱特性はモールド化合物と同様とみなすことができる。それゆえ、追加のダイが取り付けられた層は生じる位相ずれに大きく関係する。シリコンチップ素地は、赤外線光を透過し、熱伝導性もあまり高くないため、位相ずれの変化にそれほど関与しないはずである。図９Ｃおよび９Ｄに示したように、この手順をさらに２回実施して、最終的に、生成した熱源構造体上に３個のダイを持つダイ積層デバイスを作成した。

この調査の実験結果は図１０において確認することができる。さらに、実験の位相ずれと理論的な位相ずれとを比較するために、平方根適合度を描いている（破線）。図中の黒四角は、図９Ａのような欠陥ダイのみを測定したデータ点である。欠陥がデバイス表面に位置しているため、位相ずれはロックイン周波数に依存せず、理論どおりである。それゆえ、欠陥の深度ｚはゼロであり、印加されるすべてのロックイン周波数に対して位相ずれは０°となる。欠陥領域の上にダイが取り付けられた場合には、図中のひし形で示したように、位相ずれがロックイン周波数に典型的に依存することが確認できる。さらにダイを追加することで（ダイ２は円で示し、ダイ３は三角で示す）、生じる位相ずれは、熱波を浸透させる追加の材料（ダイおよびダイ接着テープの双方）によりますます大きくなる傾向にある。

同じ周波数でさまざまなダイ数について生じる位相ずれを比較することで、１８５μｍシリコンの追加のダイ層および１５μｍのダイ接着テープにより位相ずれが４０〜６０°の間で増大することが確認される。ダイ１＋２の位相ずれの実験結果は、０．１から３Ｈｚの周波数範囲では理論的な位相ずれによく適合している。
例ＩＩＩ：時間分解熱応答

従来の位相対周波数法には解析時間が長いという一つの不利な点がある。被検査体全体を十分なＳＮＲで測定するのに数分を（分厚い、低電力の試料に高いロックイン周波数を用いる場合には数時間も）要することがある。図１１Ａおよび１１Ｂは、ｆ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１ＨｚおよびＶ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１．２Ｖで捕捉時間＝１５分で測定した代表的なロックインの結果を示す。図１１Ａは、ｘおよびｙにおける欠陥の位置特定の基礎であるトポグラフィ画像の上に重ねた振幅結果／画像である。図１１Ｂは、位相結果であり、画素ごとの局所的熱遅延を示す。熱源のｘ，ｙ位置は図１１から特定することができるため、最終的な３次元解析は、目標とする熱源のすぐ上を測定した位相値のみが必要な、熱源のｚ深度の特定に低減される。それゆえ、図１１Ｂし示したようにすべてのロックイン周波数で視野全体を測定すると処理に時間がかかり、さらなる利点がない。そこで、本発明の実施形態によると、図１１Aおよび１１Ｂの四角で示したように、カメラの視野が縮小され、ホットスポットの中央の回りの小領域が測定される。例えば、一実施形態によると、時間分間熱応答解析は、カメラの動作速度を十分に速くしてごく小さなウィンドウ（例えば、図１１Aにおける四角で示したような１６ｘ１６画素、またはたった一つの画素）におけるデータを捕捉することで必要な波形を測定することに基づく。データの補足中、ソフトウェアは、ホットスポットの真ん中を囲むのみの小ウィンドウまたは一部（極小領域）の全体にわたる平均値をリアルタイムで計算することができ、データを平均化し、励振（ロックイン）周波数に同期して時間分解熱波形（例えば、図１２および１３に示したような波形）を生成する。

ＳＮＲは平均化されたデータ点の総数に基づくため、この処理により補足速度が実質的に速くなる。小ウィンドウの全体にわたる平均値を算出することで、フレーム（キャプチャされた画像）ごとのＳＮＲは含まれる画素数（例えば、８ｘ８＝６４）により増加し得る。さらに、縮小視野によりカメラはより高速で動作するようになり、捕捉速度をもう５から１０倍（例えば、仮に８倍）速くすることができる。画素ごとにただ一つの位相値が記憶（平均化）される画素ロックインと比較して、時間分解波形の再構築では、励振（ロックイン）周期に対する入力データの捕捉時間を考慮して、入力データが別々に平均化される。利用する励振（ロックイン）周期の１／４０を目標時間分解能とすると、すべての時間帯にわたって取得データが均等に分割されるため、ＳＮＲ時間分解データ点は４０倍低減されるであろう。これら数値から、全体速度は約１２．８速くなるであろう。

図１２は、さまざまなロックイン周波数について、フルフレームモード（フレームレート＝１００Ｈｚ）でＶ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１．２V、捕捉時間＝４０秒にして測定した時間分解熱波形を示す。明らかに波形形状が異なっている。図１３は、Ｖ_{ｌｏｃｋｉｎ}＝１．２V、捕捉時間＝４０秒にして測定した時間分解熱波形を示す。これらはさまざまな画素配列を用いて測定したものであり、上側の図のようにカメラ捕捉フレームレートを２．６１倍速くするとＳＮＲが大きく改善されることがわかる。あるＳＮＲの目標を設定すれば、必要な捕捉時間を明らかに低減することができる。従来技術の単一データ点の結果と異なり、時間分解波形を用いることで、デバイス内の熱伝搬に関するより多くの情報が得られる。すなわち、デバイスの経時的な熱応答をプロットすることで時間分解波形が得られる。この測定はロックイン周波数をさまざまに変えて繰り返される。さまざまなロックイン周波数において取得した時間分解波形の形状を解析して熱源の深度を特定することができる。例えば、波形は、正弦関数、のこぎり歯関数、シャークフィン関数などのさまざまな関数に相互相関させることができる。また、波形は、補正データまたは波形ライブラリに相関させることもできる。時間分解波形の相互相関により、位相ずれに加えて深度情報が提供される。

一実施形態によると、カメラ、例えば６４０ｘ５１２画素のセンサ、例えばＩｎＳｂ検出器の全画素を用いて、図１１Ａに示したような初期画像が撮影される。画像はモニタ（図４における４２５）に表示され、ユーザはカーソルでｘおよびｙにおけるホットスポットの位置を指定することができる。また、ユーザは縮小視野のサイズを選択する、例えば１６ｘ１６画素の視野を選択することもできる。ユーザが検査シーケンスを起動すると、指定された視野からのみデータが収集される。例えば、１６ｘ１６画素に対応する画素のみが各周期で読まれる。すなわち、全画素、例えば６４０ｘ５１２＝３２７６８０を読むのではなく、１６ｘ１６＝２５６画素のみが各周期で読まれる。カメラから収集したデータ量が２桁以上減るため、カメラは測定処理中により高速なフレームレートで動作することができる。これにより、平均値算出処理のためのデータ点をより多く得ることができる。これ以外に、単一画素の赤外線センサ用いることができる。

画像視野を縮小する別の方法は、一般にオンチップビニングと呼ばれる手法を用いることである。オンチップビニングを行うと隣接画素からのデータが単一データ点にまとめられる。例えば、２ｘ２ビニングを行うと４つの隣接画像の値が加算されて単一の情報が読み出される。このように、空間分解能が縮小されるものの、カメラはより速い読み出し速度で動作してＳＮ比を改善することができる。一方、ホットスポットの空間位置がすでに特定されており、測定値は空間位置ではなく深度を特定するためにのみ用いられるため、ビニング処理による縮小された空間分解能には意味がない。

図１４は、別の時間分解熱応答の測定結果を示し、また、使用したロックイン電圧および正弦関数を示し、正弦関数と熱波形との間でもっとも高い相互相関を生み出す遅延をプロットしている。相互相関により、（ロックイン電圧の立ち上がりエッジと正弦関数のゼロ点との間で計測される）熱時間遅延Δφ_ｓｉｎは、５０％の温度信号の振れ幅で測定する場合と比べてさらに高い精度で測定することができる。さらに、相互相関値（０と１との間の数であって、２つの相関する関数／曲線がどの程度見ているかを示すものであり、０は非相関、１は同一である）を第２の結果として用いて、欠陥の深度測定値の精度および信頼性を向上させることができる。

相互相関に複数の所定の周波数を用いることで、定量的および再現性のある方法で熱波形の形状を解析することができる。この考えを図１５に示す。図１５には非正弦様の形状の波形がロックイン電圧および３つの相関関数と対比して示されている。３つの相関関数からさまざまな遅延が導出され、方形波と比較して正弦（破線）および指数関数的充放電曲線（実線）は明らかに高い相互相関値を有する。これらの値（結果）を論理的または実験的に導出された基準データと比較することで、十分な精度で欠陥の深度の位置特定（例えば、パッケージ化されたダイ積層の中の欠陥層の特定）を行うことができる。

上記からわかるように、本発明の実施形態はロックインサーモグラフィを用いて、ホットスポット、すなわち、電子デバイス内の電子構造体または欠陥によって生成されるホットスポットの３次元位置を定量的および非破壊で特定することができる。印加するロックイン周波数と位相ずれとの間の関係は熱波の物理原理に基づいて特定した。これは、ホットスポットが既知の厚さの単一材料層に埋没している場合、およびホットスポットがダイ積層デバイスにおける未知数のダイ下に埋没している場合で行った。ホットスポットがモールド化合物の分厚い層に埋没していても、すべて３次元で位置特定できることを示した。

さらに、システムインパッケージアーキテクチャのさまざまなダイ層は大きな位相ずれを示して測定することができた。これにより、パッケージじゅうの欠陥ダイの正確な位置特定が可能である。積層ダイの不均一な材料積層は複雑な熱特性を持つため、さまざまなロックイン周波数での複数のロックインサーモグラフィの結果を取得することが必要となる。本発明の実施形態により、これらの結果を取得および解析してホットスポットの深度を計算する方法が可能となる。

また、本発明の実施形態により、点測定値に基づいて、時間分解熱応答を用いてより正確にホットスポットを解析することができる。これにより、必要な測定時間を実質的に削減することができる。さらに、熱時間遅延に加えて取得した熱波形の形状より詳細なデータ解析が可能となる。

なお、ここに開示した方法および技術は本質的に特定の装置に関するものではなく、構成要素を適当に組み合わせて実施することができる。さらに、ここに開示した技術的思想に応じてさまざまなタイプの汎用デバイスを用いることができる。また、有利なことには、特定の装置を構築してここに開示した方法の工程を実施することができる。

具体例を参照して本発明を開示したが、これらは例示であってこれらにより本発明は限定されない。当業者であれば、ハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアの多くのさまざまな組み合わせにより本発明が適当に実施されることが理解できるであろう。また、当業者であれば、ここに開示した本発明の明細書および実施を考慮して本発明の別実施例が理解できるであろう。明細書および実施例は例示に過ぎず、本発明の範囲および精神は特許請求の範囲に示される。

Claims (13)

1. ロックインサーモグラフィを用いて試料に埋没した熱源の位置を特定する方法であって、
   前記試料を検査システム上に配置し、
   複数のさまざまなロックイン周波数で前記試料に検査信号を印加し、
   前記試料に前記検査信号を印加しながら赤外線センサを用いて前記試料を撮影し、
   前記撮影した画像から前記試料の表面の横断的な温度分布を検出し、
   前記検査信号と前記画像から得られる熱応答との間で生じる位相ずれを前記試料内の熱伝搬と相関させて検出および解析し、
   前記横断的な温度分布を解析して前記熱源の横断的な位置を取得し、
   各熱源位置における前記位相ずれを解析して前記試料内の前記熱源の深度位置を特定し、
   さまざまなロックイン周波数での前記位相ずれをプロットして位相対周波数曲線を取得し、前記位相対周波数曲線の傾きを解析して深度分解能を改善する、
   ことを特徴とする方法。
2. 熱波伝搬の解析解により周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
   前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記検出した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項１に記載の方法。
3. 熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
   前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記検出した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項１に記載の方法。
4. 前記赤外線センサからの画素の一部のみからのデータを読むことで前記試料の表面の視野を制限する、請求項１に記載の方法。
5. 隣接画素の値を加算して加算データ点を生成し、前記加算データ点のみを読むことで前記視野を制限する、請求項４に記載の方法。
6. 前記時間分解熱波形をモニタに表示し、
   前記時間分解熱波形を解析して電気励振信号と関連熱波形との間の位相ずれを特定する、ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 相関関数を用いて前記時間分解熱波形を解析する、請求項６に記載の方法。
8. ロックイン周波数と同じ周波数の正弦関数との自己相関を用いて前記時間分解熱波形の前記位相ずれを測定する、請求項６に記載の方法。
9. 熱波伝搬の解析解により周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
   前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記測定した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項６に記載の方法。
10. 熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
    前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記測定した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項６に記載の方法。
11. 少なくとも一つの相関関数を用いて前記時間分解熱波形の形状を定量的に解析し、それにより得られる相関係数対ロックイン周波数のマトリクスを生成する、請求項６に記載の方法。
12. 正弦、余弦、方形、シャークフィン、指数関数的充放電曲線の少なくとも一つを含む所定の波形との自己相関または相互相関の少なくとも一つを用いることで前記少なくとも一つの相関関数を用いる、請求項１１に記載の方法。
13. 熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれに基づいて理論的相関係数を算出し、
    前記算出した相関係数を前記相関係数に関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項１２に記載の方法。