Análise de Falhas SourceMeter 2601B-Pulse e Termografia de Bloqueio

Os dispositivos semicondutores não apenas avançaram em capacidade, mas continuam a encolher dimensionalmente. Todos os dias são desenvolvidos novos dispositivos que são usados ​​em aplicativos que consideramos garantidos em tablets, telefones, sistemas de entretenimento, aviônicos, sistemas espaciais e de defesa e sistemas de veículos autônomos. Muitos dispositivos são usados ​​em aplicações de missão crítica onde “a falha não é uma opção”, disse uma vez Gene Kranz durante a missão Apollo 13 em seu papel de diretor de voo principal. Mas as falhas do dispositivo ocorrem.

Empresas de semicondutores e pesquisadores de semicondutores estão constantemente procurando maneiras de fazer com que os dispositivos falhem para evitá-los em campo. Os engenheiros de análise de falhas de semicondutores (FA) passam incontáveis ​​horas tentando entender por que um dispositivo falhou e como isso pode ser evitado no futuro. A análise de falhas envolve muitas técnicas diferentes.

A análise de falhas microeletrônicas é um dos principais métodos analíticos aplicados ao diagnóstico de problemas ocorridos com dispositivos, seja na fase de fabricação ou na utilização da embalagem na aplicação. A necessidade de realizar análises de falhas abrange vários aplicativos em diferentes mercados. Dispositivos microeletrônicos são arquiteturas integradas feitas de várias camadas diferentes. A localização da falha em alguns casos não é simplesmente bidimensional, mas tridimensional.

Uma falha elétrica de um dispositivo semicondutor pode ser funcional ou paramétrica. Quando um dispositivo não consegue realizar a função pretendida, essa falha é considerada uma falha funcional. Uma falha paramétrica ocorre quando o dispositivo não consegue atender às especificações elétricas de uma característica mensurável. Uma falha paramétrica típica pode ser uma corrente de fuga, que pode não pertencer à funcionalidade do dispositivo. Assim, é possível que uma falha paramétrica esteja presente mesmo que o dispositivo ainda esteja funcional ou capaz de desempenhar sua função pretendida.

Como a análise de falhas é realizada?

Existem várias técnicas de análise de falha para dispositivos semicondutores. Um teste de verificação rápido e simples envolve o uso de uma unidade de medida de origem (SMU, Source Meter Unit) onde você pode aumentar para uma anomalia da curva IV e, em seguida, usar a SMU para se infiltrar no comportamento, minimizando o risco de danificar ainda mais um dispositivo (potencialmente) já danificado.

Além do rastreamento da curva IV, os testes cairiam em testes destrutivos e não destrutivos. O objetivo é determinar o mecanismo de falha que levou ao modo de falha do dispositivo. Esses mecanismos de falha podem vir de linhas de falha potenciais em ICs de dissipação de calor local, curtos entre as linhas de energia ou de sinal, falhas de óxido ou junção, travamentos e muito mais. 

Infelizmente, o teste destrutivo geralmente é necessário em uma grande parte do esforço analítico. Tarefas como descapsulamento, traçar linhas de metal e corte transversal são algumas das técnicas utilizadas. Realizados prematuramente, entretanto, esses procedimentos podem resultar em danos irreversíveis e uma análise arruinada, ignorando o custo dos recursos.

A avaliação não destrutiva de falhas tem sido historicamente um processo visual, usando ferramentas como microscopia eletrônica de transmissão e outros sistemas de inspeção de raios-x. Essas ferramentas têm um preço muito alto. Outra técnica de baixo custo é a Termografia Lock-in (LiT). O LiT aborda uma série de desafios que os clientes têm:

• Não queira destruir dispositivos valiosos em teste (DUT).
• Precisa de uma maneira fácil de modular periodicamente a amplitude da potência dissipada no DUT.
• Isole locais problemáticos ou pontos críticos em dispositivos embalados com mais rapidez, reduzindo custos e obtendo respostas mais rapidamente.

Por que Termografia Fixa?

A termografia lock-in é uma técnica de termografia ativa usada para analisar dispositivos microeletrônicos ou amostras mais gerais de materiais a fim de detectar defeitos, danos ou caracterizar possíveis problemas de fabricação. LiT permite a medição sem contato de temperaturas de superfície usando uma câmera de imagem térmica infravermelha. A parte “lock-in” do nome vem da necessidade de sincronizar a taxa de aquisição da câmera com a excitação do circuito.

O LiT consiste em aplicar uma excitação térmica periódica a um dispositivo em teste na forma de um sinal elétrico pulsado e, em seguida, monitorar a variação de temperatura com uma câmera térmica que captura várias aquisições rápidas e as calcula com um algoritmo de pós-processamento.

Para dispositivos de pacote de semicondutor, isso permite que o engenheiro de análise de falha mapeie a superfície do pacote e identifique rapidamente pontos de acesso localizados com resolução aumentada e distribuição de temperatura na superfície do pacote.

Como a Tektronix / Keithley pode ajudar a construir uma solução eficaz para Termografia de Bloqueio?

Um diagrama típico de sistema de termografia fixa seria semelhante ao mostrado na Figura 3.

A aplicação acima pode ser endereçada usando um gerador de função arbitrária programável, fonte de pulso de tensão ou um gerador de fonte de corrente quando apropriado, em vez do contador de hardware e da fonte de alimentação pulsante. Ao usar qualquer uma das diferentes fontes, é importante que você entenda as possíveis limitações de largura de pulso ou cenários de fonte excessivos que podem resultar em danos adicionais ao dispositivo. 

Pulsadores de corrente, por exemplo, podem emitir pulsos de corrente de até 10 amperes a 10 volts com larguras de pulso muito pequenas. No lado óptico, câmeras térmicas IR de última geração podem ser usadas no lugar do detector IR e até mesmo do frame grabber. O software especializado está disponível para termografia de bloqueio, eliminando a necessidade do frame grabber para exibir e analisar rapidamente os dados da câmera IR. Como alguma energia térmica aquece a estrutura interna do dispositivo ou é originada pelas condições de operação do dispositivo, a energia térmica também é dissipada, contendo informações sobre possíveis defeitos elétricos. É aqui que as medições de uma câmera térmica entram em jogo

Quanto ao gerador de função arbitrária, que pode ser usado como um relógio muito preciso ou para emitir pulsos de tensão para um amplificador, a série Tektronix AFG31000 oferece a combinação de facilidade de uso e programação em uma ampla faixa de frequência.

Para uma fonte de tensão, as unidades de medida de fonte Keithley, como a SMU mostrada na Figura 1 , são os instrumentos ideais. As SMUs podem atuar como fontes de tensão precisas, podem alterar rapidamente sua saída entre diferentes níveis e podem limitar a potência fornecida no caso de uma avaria mais rápido do que as fontes de alimentação. Como as SMUs podem medir corrente e tensão simultaneamente, elas podem medir trivialmente a potência total fornecida.

Para os modelos de fonte de corrente, existem vários modelos disponíveis dependendo das faixas de tensão e corrente necessárias para acionar diretamente um componente ou mesmo uma fonte de laser.

Os engenheiros de análise de falhas continuam procurando simplificar o sistema de teste para minimizar os difíceis desafios de integração. 

Reagindo aos desafios que ouvimos dos engenheiros da FA exigindo um instrumento tudo-em-um, incluindo uma função de programação integrada para coordenar o processo e a função de bloqueio com a câmera térmica, Keithley – uma empresa Tektronix – desenvolveu o Sistema 2601B-PULSE SourceMeter® 10 μs Pulser / SMU Instrument.

O 2601B-PULSE com tecnologia PulseMeter™ é um pulsador de alta corrente/alta velocidade com capacidade de medição mais a funcionalidade completa de uma unidade de medição de fonte tradicional. Este novo pulsador oferece saída de pulso de corrente líder de 10 A a 10 V com largura de pulso mínima de 10 μs, perfeita para aplicar estímulo de pulso em níveis variados de corrente para peças embaladas para Termografia Lock-in. 

O sistema de loop de controle do 2601B-PULSE garante pulsos de corrente estáveis ​​de 10 μs até 500 μs com tempos de subida rápidos (normalmente <1,7 µs), para que seus dispositivos sejam originados e/ou estimulados com um pulso de corrente de alta fidelidade, conforme mostrado nas Figuras 6 e 7. Se a aplicação requer larguras de pulso de 500 μs a DC, você pode usar a função SMU para gerar pulsos mais longos. Isso torna o instrumento um ótimo recurso para muitas fases de análise de falhas, incluindo o processo de verificação de falhas executando varreduras IV no dispositivo questionado.

O instrumento também possui uma função de timer integrada que elimina a necessidade de uma referência de tempo externa. O temporizador interno possui um contador de 47 bits de execução livre com entrada de clock de 1 MHz. A resolução do temporizador é de 1 µs e precisão de ±100 ppm. Com base no diagrama da Figura 3, o 2601B-PULSE substitui a fonte de alimentação pulsante e o contador de hardware.

O 2601B-PULSE oferece várias interfaces de E/S, como USB 2.0, LAN, GPIB, RS-232 e E/S digital. Se o engenheiro de FA optar por usar uma câmera IR avançada em vez de um frame grabber e um sensor de detector IR de hardware, e a câmera IR tiver uma porta LAN integrada para se comunicar com o PC, o 2601B-PULSE pode fornecer os pulsos de disparo para a câmera para a sincronização. Isso pode acelerar a execução do teste deixando o computador externo dedicado ao processamento de imagens.

O Pulser/SMU incorpora a tecnologia Test Script Processor (TSP ^™ ) da Keithley, uma arquitetura flexível de hardware/software que permite programação baseada em mensagens com recursos aprimorados para controlar o sequenciamento/fluxo de teste, tomada de decisão e autonomia do instrumento. O uso do Test Script Processor integrado possibilitou a criação de instrumentos “inteligentes”, com recursos integrados de tomada de decisão, o que reduz a necessidade de se comunicar com tanta frequência com um controlador externo pelo barramento. Essa abordagem ao projeto do sistema de teste permite que os sistemas de instrumentos inteligentes sejam muito mais eficientes do que aqueles que dependem da programação padrão baseada em SCPI. Mas como você controla uma câmera IR disponível em LAN?

TSP-Net

Com Keithley TSP-Net, uma biblioteca de TSP incluída, você pode usar instrumentos habilitados para TSP para controlar qualquer instrumento controlável por Ethernet. Usando este recurso, os instrumentos de medição podem ser controlados remotamente por outros instrumentos sem um PC. Este tipo de configuração é especialmente conveniente quando o instrumento não possui um painel frontal ou requer navegar pelas configurações com vários botões. Para configurar uma conexão TSP-Net, conecte os instrumentos desejados à mesma rede ou entre si via cabo ethernet e carregue um script TSP-Net no instrumento de controle.

O TSP-Net funciona de maneira semelhante à programação baseada em soquetes entre um computador e um instrumento. Em vez de usar um PC, um dos instrumentos conectados à rede atua como controlador, conduzindo os instrumentos alvo por meio de um script TSP por meio de uma conexão de rede ethernet. Isso permite que um ou mais instrumentos que não estejam necessariamente localizados na mesma área imediata controlem os outros remotamente e se comuniquem entre si. O instrumento de controle usa comandos da biblioteca TSP-Net para transferir dados de string, incluindo comandos, para um instrumento remoto. Da mesma forma, o instrumento de controle pode recuperar e manipular dados dos instrumentos de destino. Como as strings são enviadas pelo barramento, um instrumento TSP pode enviar comandos SCPI, que são strings de caracteres ASCII,

Este exemplo a seguir demonstra as principais estruturas de codificação e comandos associados ao uso do TSPNet. Observe as semelhanças entre esses comandos da biblioteca TSP-Net e a programação típica baseada em soquetes:

Ao usar o Pulsador/SMU 2601B-PULSE com uma câmera termográfica IR habilitada para LAN/Ethernet, você pode simplificar a configuração da Termografia Lock-in e permitir que o 2601B-PULSE controle o processo de teste enquanto o PC executa o software de análise térmica conforme mostrado em Figura 9 .

Conclusão

No final das contas, o trabalho do engenheiro de FA é determinar o mecanismo de falha que levou ao modo de falha do pacote de dispositivos semicondutores. Assim que o mecanismo de falha for determinado, os engenheiros de FA podem trabalhar com o engenheiro de processo de semicondutores para determinar a causa raiz e as contramedidas que serão executadas para evitar que a falha ocorra novamente.

A termografia de bloqueio é apenas uma técnica para identificar rapidamente pontos de acesso no dispositivo para restringir a localização de uma falha e continuar a investigação para determinar a causa raiz. Instrumentos como o Keithley 2601B-PULSE e uma câmera térmica IR habilitada para LAN/Ethernet minimizam os desafios de integrar instrumentações avançadas para realizar as medições. A termografia de bloqueio reduz a necessidade de testes destrutivos e ajuda a superar os desafios que a análise de falhas apresenta no nível do pacote, resultando em tempo de resposta mais rápido, uso mais eficiente do tempo do engenheiro de FA e economia de custos para a organização.