|
在半导体技术持续向纳米级乃至埃米级迈进的今天，芯片集成度不断攀升，内部结构愈发复杂。在芯片的全生命周期中，失效问题难以避免，而 Hot Spot 技术已成为产品工程师破解芯片失效谜团的关键利器。该技术聚焦于芯片内部因各种缺陷引发的过热或异常电流密度区域，精准定位潜在故障点，为后续深入分析奠定坚实基础。 一、Hot Spot 的核心概念与关键价值 1.1 精准定义 Hot Spot，即芯片内部在常规运行或特定测试场景下，因缺陷导致的局部高温区域。这些缺陷成因多样，涵盖短路、漏电、过度功耗、互连线电迁移等多种情况。例如，在先进制程的芯片中，晶体管尺寸不断缩小，微小的制造瑕疵就可能导致相邻器件间短路，形成 Hot Spot。 1.2 不可替代的意义 高效定位缺陷：传统电气测试如同 “盲人摸象”，仅能知晓芯片存在故障，却难以锁定具体位置。Hot Spot 技术则像精准的 “定位器”，可将可疑区域缩小至数微米甚至纳米级，大幅提高故障定位效率。 显著节省分析时间：在高度集成的芯片上，若缺乏 Hot Spot 定位，盲目进行开封和逐层剖析，不仅耗时漫长，还会大幅增加分析成本。而借助 Hot Spot 技术，能快速锁定目标区域，显著提升失效分析的效率与经济性。 有效预防潜在失效：在可靠性分析环节，Hot Spot 检测如同 “安全卫士”，可提前发现潜在高温区域，助力工程师从工艺优化、设计改进等层面入手，降低芯片失效风险。 二、Hot Spot 的典型诱发因素 2.1 短路与漏电通路 制造过程中的细微缺陷，或是静电放电（ESD）损伤，都可能致使 MOS 管、金属互连或过孔之间出现意外短路。当电流异常增大，局部温度随之急剧上升，Hot Spot 便应运而生。例如，在某款手机芯片中，因过孔制造缺陷引发短路，导致芯片发热严重、性能下降。 2.2 电迁移现象 在金属互连结构中，高电流密度会驱使金属原子迁移，进而形成空洞或聚集。这不仅会使互连电阻异常升高，甚至可能导致断线，成为引发 Hot Spot 的重要因素。随着芯片制程不断缩小，电迁移问题愈发凸显，成为影响芯片可靠性的关键隐患。 2.3 闩锁效应 在 CMOS 工艺中，P-N-P-N 寄生双极结构一旦触发闩锁效应，就会形成持续大电流通路，造成局部过热。这种现象在电源电压波动或遭受静电冲击时极易发生，严重威胁芯片的正常运行。 2.4 器件老化与材料缺陷 芯片长期运行会导致器件性能退化，而制造过程中产生的微裂纹、应力集中点等材料缺陷，也会随着时间推移演变为 Hot Spot。例如，在汽车电子芯片中，由于工作环境恶劣，器件老化和材料缺陷引发的失效问题尤为突出。 三、多元检测方法与技术特性 3.1 红外热成像 原理：红外热像仪是一种非接触的测温仪器，可以通过对物体表面的热（温度）进行分布成像与分析，直接“看见”芯片的温度分布。利用红外相机捕捉芯片表面热辐射，通过分析热辐射分布识别温度异常区域。 优势：操作简便，无需接触芯片，可在封装状态下直接测量；对短路及漏电流等分析效果佳；0.03℃温度分辨率，20um定位分辨率，可探测uW级功耗。  局限：空间分辨率受探测器像素和光学系统制约，难以检测微小热点，对深层热点敏感度较低。 3.2 锁相热成像 原理：锁相热成像（Lock-in Thermography, LIT）是一种动态红外热成像形式，通过周期性调制热源，对待测物体进行周期加热。若待测物体内部存在缺陷，该缺陷对其上方表面温度分布会产生周期性的影响，从而产生幅值差和相位差的热特征。这些特征通过红外热像仪捕获，并通过锁相技术将微弱的有用信号从众多干扰信号中分离出来，大幅提高检测的灵敏度。  优势： （一）高灵敏度 锁相热成像技术能够检测到极微小的热信号，其灵敏度比传统稳态热成像方法高二至三个数量级，可检测低至uA级漏电流或微短路缺陷。 （二）非接触式检测 在不破坏样品的情况下实现精准成像，适用于各种封装状态的样品，包括未开封的芯片和PCBA。 （三）三维可视化 通过相位信息实现微米级深度定位功能，能够全方位无盲区再现被测物内部构造。 （四）快速定位 相比其他检测技术，锁相热成像技术能够在短时间内快速定位热点，缩短失效分析时间。 局限：测试耗时较长，对测试环境要求苛刻，需严格控制温度、湿度等因素。 3.3 扫描式热显微镜 原理：借助微悬臂探针探测芯片表面微小区域温度变化，采用类似原子力显微镜的逐点扫描方式。扫描热学显微镜通过使用特殊带热电偶的针尖，扫描样品时，热电偶的温度，通过热信号成像放大器，通过AFM处理，同时得到热成像图和形貌图。可以得到定量温度分布成像图，和定性热导率分布图。针尖的设计，可以达到小于50nm的热空间分辨率  优势：分辨率可达亚微米级别，是纳米级工艺失效分析的理想工具；纳米级精确的温度测量；超高扫描热性质的空间分辨率成像；灵敏的温度和热导率响应；支持多种扫描模式（轻敲，接触，峰值力等模式） 局限：扫描速度缓慢，对测试环境要求严格，需在超净、恒温恒湿环境下进行。 3.4 其他前沿技术 TIVA：通过激光或热源局部加热芯片表面，观察电压变化定位缺陷，对检测断路、接触不良等问题效果显著。利用激光扫描芯片表面的情况下，侦测出哪个位置的阻抗有较明显变化，这个位置就可能是漏电位置。侦测阻抗变化就是用电压和电流来反映。 TIVA：给器件回路加上一个微小电流I1，然后让激光在芯片表面进行扫描，同时监测回路电压V的变化。  OBIRCH：光诱导电阻变化（Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH），作为一种新型的高分辨率微观缺陷定位技术，能够在大范围内迅速准确地进行器件失效缺陷定位，基本上，只要有芯片异常的漏电，它都可以产生亮点出来。 给器件回路加上一个电压V，然后让激光在芯片表面进行扫描，同时监测回路电流I1的变化.
OBIRCH原理：用激光束在通电恒压下的芯片表面进行扫描，激光束部分能量转化为热能，如果芯片存在缺陷点，缺陷处温度将无法迅速通过金属线传导散开，这将导致缺陷处温度累计升高，并进一步引起金属线电阻以及电流变化，通过变化区域与激光束扫描位置的对应，定位缺陷/失效位置。该方法常用于芯片内部高阻抗及低阻抗分析，芯片漏电路径分析。  四、技术挑战与未来发展趋势 4.1 分辨率与灵敏度的极限突破 随着芯片工艺进入纳米级甚至埃米级，热点面积愈发微小，对检测技术的分辨率和灵敏度提出了前所未有的挑战。未来，扫描式热显微镜、OBIRCH 等技术将不断优化，通过改进探针设计、提升激光聚焦精度等方式，实现更高分辨率和灵敏度。 4.2 应对封装复杂度的升级 多层封装技术的广泛应用，使得芯片内部热点检测难度剧增。未来，将涌现更先进的红外透视技术和局部开窗工艺，突破封装障碍，实现对芯片内部热点的精准检测。同时，3D 成像技术也将与 Hot Spot 检测深度融合，为工程师提供更全面的芯片内部信息。 4.3 复杂测试场景的精准适配 许多热点仅在特定工作电压、温度或负载条件下才会显现，这要求 Hot Spot 技术具备更强的环境适应性和场景模拟能力。未来，测试设备将集成更多功能模块，能够精准模拟各种复杂工况，确保热点检测的准确性和可靠性。 4.4 多技术融合的协同创新 单一的 Hot Spot 技术往往存在局限性，未来，Hot Spot 技术将与 EMMI、X-ray、CSAM 等技术深度融合，形成综合性的失效定位和诊断方案。通过多技术协同，实现优势互补，全面提升芯片失效分析的效率和准确性。 五、总结与展望 Hot Spot 技术作为芯片失效分析的核心技术，在定位短路、漏电等缺陷导致的局部高温区域方面发挥着不可替代的作用。多种检测方法各有所长，为不同需求的芯片失效分析提供了丰富选择。通过 Hot Spot 技术，工程师能够快速锁定故障点，大幅缩短分析周期，提升故障定位精度。 展望未来，随着半导体技术的持续创新，Hot Spot 技术也将不断演进。在应对更高分辨率需求、突破复杂封装限制、适配多元测试场景以及推动多技术融合等方面，Hot Spot 技术将迎来更多突破，为芯片产业的高质量发展提供更强有力的技术支撑，助力工程师攻克芯片失效难题，提升芯片产品的可靠性和竞争力。 The END |
|
|
