【04缺陷检测与失效分析】之热光发射显微：热点漏电定位解决方案

副标题： Thermo Scientific™ ELITE 系统在半导体失效分析中的高精度热成像应用

发布信息

发布日期：2025年7月31日
作者：森德仪器/应用技术部
仪器类别：分析仪器、检测设备
阅读时间：约8分钟
关键词：锁相红外热成像、LIT、热光发射显微、热点定位、漏电分析、失效分析、半导体测试、森德仪器、ELITE系统

摘要

随着半导体工艺节点不断微缩、三维集成技术快速发展，器件内部的缺陷检测和失效分析面临的挑战。局部漏电、微短路等缺陷通常伴随着微弱的热信号，如何在复杂的封装结构中精确定位这些热点，成为半导体行业技术攻关的关键环节。本文系统介绍Thermo Scientific™ ELITE系统基于锁相红外热成像技术实现的热光发射显微解决方案。该系统采用独特的锁相探测技术，通过非接触测量方式，可在几秒内实现<1 mK的温差分辨率，并支持封装状态下的三维堆叠裸片分析。结合其无限制数据累积时间的技术优势，ELITE系统能够有效检测极低功耗故障引起的微弱热信号，为半导体器件中的热点定位提供精确的导航。文章详细阐述了该系统的技术原理、性能特点，并结合实际应用场景分析其在封装失效分析、低功耗漏电定位、功率器件热管理和工艺缺陷筛查等领域的应用价值。

技术原理与系统特点

锁相红外热成像技术是一种基于热辐射原理的非接触式温度测量技术。当半导体器件中存在缺陷时，局部功率损耗会导致温度异常升高，这些微小温差通过红外辐射形式释放。ELITE系统采用锁相探测技术，通过向器件施加周期性电激励信号，同步检测热辐射信号的频率和相位信息，显著提升信噪比，实现微弱热信号的精确提取。

核心技术创新与性能特点

1. 极限温度灵敏度与分辨率
   ELITE系统采用的InSb中波红外探测器和优化的光学系统，在常规工作模式下几秒内即可达到<1 mK的温差分辨率。通过独特的信号处理算法和长时间累积测量，系统灵敏度可进一步提升至<10 μK水平，能够检测微瓦级功耗引起的温升变化。这一性能指标在同类产品中处于先地位，为纳米级缺陷检测提供了必要的技术基础。

2. 三维堆叠结构的穿透分析能力
   针对2.5D/3D IC、Chiplet等封装结构，ELITE系统优化了中波红外探测波段和光学路径设计，能够有效穿透多层封装材料，实现对堆叠芯片内部不同深度热源的精准定位。系统支持X、Y、Z三个维度的热源深度识别，解决了传统热成像技术难以分析隐藏缺陷的技术难题。

3. 突破性数据采集架构
   与传统LIT系统不同，ELITE系统采用了独特的硬件架构和信号处理方案，突破了高频锁相测量时信号衰减的限制。系统支持无限制数据累积时间，用户可以根据需要任意延长采集时间，在不牺牲灵敏度的前提下获得更高的空间分辨率。这一特点对于检测弱故障模式和低功耗漏电尤为重要。

4. 灵活的光学配置方案
   系统配备六位物镜转轮，提供从28mm广角镜头到10x高倍显微物镜的全系列定制化MWIR镜头。结合640×512像素、15μm像元尺寸的InSb探测器，系统可在单次配置中实现从宏观样品定位到微观热点观察的无缝切换，有效放大倍率可达20倍，满足不同尺度样品的分析需求。

应用场景与案例分析

主要应用领域

1. 封装结构的失效分析

• 应用场景：随着半导体封装技术向2.5D/3D方向发展，硅通孔、混合键合、微凸点等互连结构的失效分析成为技术难点。特别是当这些缺陷位于封装体内部时，传统电学测试难以精确定位。

• 技术要求：需要具备穿透多层材料的能力，能够识别不同深度热源的精确位置，并对微弱热信号保持高灵敏度。

• 森德仪器的适配性：ELITE系统的三维热源定位能力，可精确定位TSV孔洞、键合界面分层、微凸点开裂等缺陷位置，为后续的FIB截面分析提供准确的坐标指引。系统支持封装状态下的分析，无需破坏样品完整性，大幅提高分析效率。

2. 低功耗漏电与弱故障检测

• 应用场景：在工艺节点下，晶体管漏电流、栅氧化层缺陷等故障通常仅产生微瓦级功耗，对应的温升变化极小。如何在复杂的电路环境中精确定位这些微弱热源，是失效分析领域的技术挑战。

• 技术要求：需要的温度灵敏度和信噪比，能够检测μW级功耗引起的温升，同时具备区分相邻热源的能力。

• 森德仪器的适配性：ELITE系统<10 μK的温度分辨率，配合其无限制数据累积功能，能够有效提取极微弱的热信号。系统的高空间分辨率可区分相邻微米级的发热点，为逻辑电路中的单个晶体管漏电定位提供可能。

3. 功率器件热管理与可靠性评估

• 应用场景：功率半导体器件如IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT等在开关过程中会产生显著热效应，局部过热可能导致器件性能退化甚至失效。准确的热分布分析和热点定位对器件设计优化至关重要。

• 技术要求：需要实时监测动态温度变化，支持不同放大倍率下的热成像观察，并具备宽温度范围测量能力。

• 森德仪器的适配性：ELITE系统支持实时锁相测量，可在器件工作状态下捕捉瞬态热分布。系统提供从宏观热场观察到微观热点分析的全尺度解决方案，结合其宽温度范围测量能力，全面评估功率器件的热性能。

4. 工艺缺陷快速筛查与质量控制

• 应用场景：在半导体制造过程中，需要对晶圆级或封装后器件进行快速缺陷筛查，及时发现工艺偏差和设备异常，提高生产良率。

• 技术要求：需要快速、非破坏性的检测方法，能够批量处理样品，并提供定量化的热分析数据。

• 森德仪器的适配性：ELITE系统的非接触测量特性和快速成像能力，使其适合在生产环境中进行在线或离线缺陷检测。系统提供定量化的温度数据和标准化的分析流程，可建立工艺缺陷的热特征数据库，实现智能化质量监控。

附录与参考资料

相关标准

• JEDEC JESD51-51 《集成电路热测试方法标准》

• SEMI MF1726 《用于失效分析的半导体器件去封装和样品制备指南》

• IEC 60749 《半导体器件 机械和气候试验方法》

• GB/T 35009-2018 《半导体器件 微机电器件 MEMS 失效分析》

• ASTM E1543 《红外热成像检测标准实践》

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