Badania mikrotermograficzne układów MEMS i mikroprocesorów nowej generacji
Zminiaturyzowane układy elektroniczne i układy MEMS coraz częściej narażone są na lokalne przegrzanie z powodu gęstej struktury obwodów i warstwowej obudowy, co utrudnia walidację termiczną. Nieinwazyjne wykrywanie mikroskopijnych defektów i punktów zapalnych w złożonych strukturach jest trudne, zwłaszcza gdy wymagana jest analiza podpowierzchniowa bez uszkadzania delikatnych komponentów.
Mikrotermografia w podczerwieni umożliwia precyzyjną, bezkontaktową analizę termiczną mikroelektroniki, wizualizując zmiany temperatury powierzchni i podpowierzchni w czasie rzeczywistym. Technika ta wspomaga analizę uszkodzeń i lokalizację defektów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i termiczną, nawet przy wzbudzeniu elektrycznym, zapewniając optymalizację termiczną na wszystkich etapach projektowania i walidacji zminiaturyzowanych komponentów.
Uzyskiwane korzyści
- Wizualizacja zachowania termicznego układów MEMS i mikroelektroniki z mikroskopową rozdzielczością przestrzenną.
- Identyfikuje defekty termiczne i punkty zapalne na wczesnym etapie projektowania i walidacji.
- Wspiera nieniszczące testy w czasie rzeczywistym przy wzbudzeniu elektrycznym lub obciążeniu dynamicznym.
- Umożliwia dokładną analizę gradientów temperatury w złożonych obudowach i strukturach układów scalonych.
- Zwiększa wydajność i niezawodność, zapobiegając przegrzaniu i awariom urządzeń spowodowanym temperaturą.
Optymalizacja termiczna dla mikroelektroniki nowej generacji i układów MEMS z wykorzystaniem mikrotermografii
Optymalizacja termiczna w procesie opracowywania nowych produktów mikroelektronicznych staje się coraz trudniejsza i ważniejsza. Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) mają ogromny potencjał zastosowań w nanotechnologii, czego typowymi przykładami są rozpoznawanie położenia w telefonach komórkowych oraz ich zastosowanie w poduszkach powietrznych, aparatach cyfrowych i rozrusznikach serca. Technologia układów mikroelektromechanicznych (MEMS) jest również coraz częściej wykorzystywana w zminiaturyzowanej diagnostyce medycznej, oferując nowe możliwości dla zaawansowanych rozwiązań medycznych. Dążenie do miniaturyzacji wpływa nie tylko na wymagane rozwiązania systemowe, ale także na rozwój czujników i elementów sterujących. Wraz ze zmniejszaniem się złożonej elektroniki przy jednoczesnym zwiększaniu mocy, efektywne zarządzanie temperaturą staje się coraz ważniejsze.
Nowoczesne mikroprocesory, z ich gęsto zintegrowanymi układami scalonymi i tranzystorami, napotykają wyzwania związane z lokalnymi punktami zapalnymi, które mogą obniżać wydajność i skracać żywotność. Walidacja termiczna jest szczególnie trudna w wykrywaniu tych gorących punktów, zwłaszcza gdy są one osadzone pod wieloma warstwami metalu lub w obudowach typu flip-chip.
Mikrotermografia, która zapewnia wysoce precyzyjną analizę termiczną w skali mikrometrów, oferuje szczegółowy wgląd w rozkład temperatury w skomplikowanych zespołach i komponentach elektronicznych, zapewniając optymalną wydajność i niezawodność. Te zaawansowane systemy obrazowania termicznego umożliwiają precyzyjną analizę rozkładu temperatury w komponentach pod napięciem, skutecznie identyfikując i śledząc gorące punkty w obszarze obrazu. Wraz z postępem technologii mikroprocesorowej, wzrostem wydajności i redukcją kosztów układów scalonych, liczba warstw metalowych, układów CMOS i gęstość połączeń w układach scalonych (IC) stale rośnie. Ten trend w technologii submikronowej komplikuje lokalizację defektów. Mikroskopia w podczerwieni oferuje znaczącą przewagę w tym obszarze, ponieważ krzem samoistny staje się niemal przezroczysty w zakresie długości fal przekraczających jego przerwę pasmową 1,1 µm. Chociaż domieszki zwiększają absorpcję krzemu, efekt ten staje się znaczący dopiero w przypadku silnie domieszkowanych podłoży, co czyni mikroskopię w podczerwieni potężnym narzędziem do analizy złożonych struktur elektronicznych.
Tradycyjnie, wysokowydajne systemy obrazowania w podczerwieni, szczególnie te czułe na zakres średniej podczerwieni 2…5 µm, oferują nieinwazyjne obrazowanie emisji cieplnej w czasie rzeczywistym z tych krytycznych obszarów. Niemniej jednak, mają one kilka wad, w tym wysoki koszt, dużą objętość, większe zużycie energii oraz konieczność stosowania kriogenicznych systemów chłodzenia, co zwiększa złożoność konserwacji.
Przystępna cenowo, precyzyjna mikroskopia w podczerwieni odkrywa termiczny odcisk palca mikroprocesorów
Mikroskopia w podczerwieni, szczególnie z zaawansowanymi narzędziami, takimi jak zestaw mikroskopu w podczerwieni PI 640i z dwukrotnym powiększeniem, stanowi precyzyjne rozwiązanie dla inżynierów wymagających szczegółowej analizy termicznej małych urządzeń elektronicznych lub MEMS. Ten system obrazowania w podczerwieni pozwala inżynierom badawczym i projektantom na wizualizację zmian temperatury i dokładny pomiar temperatury na niewielkich obiektach, wykorzystując technologię detektorów o wysokiej rozdzielczości do skupiania energii cieplnej w podczerwieni na matrycy kamery. Ta funkcja zapewnia niezawodną i szczegółową analizę termiczną nawet najmniejszych komponentów, dzięki czemu idealnie nadaje się do nieniszczącej analizy awarii mikroprocesorów, MEMS, mikroelektroniki i systemów obudów.
W przeciwieństwie do chłodzonych mikroskopów w podczerwieni, które są o wiele droższe, mikroskop PI640i z dwukrotnym powiększeniem działa w zakresie długofalowej podczerwieni 8…14 µm. Nowoczesne mikrobolometry, które nie wymagają chłodzenia, mogą wykrywać ten zakres długości fal. Dzięki temu inżynierowie mają dostęp do technologii obrazowania w podczerwieni przy znacznie mniejszym budżecie.
Kamery termowizyjne o wysokiej rozdzielczości, takie jak PI 640i, oferują pole widzenia 5,4 x 4,0 mm i mogą wykrywać zmiany temperatury w obiektach o wielkości zaledwie 8 µm (IFOV), co jest wartością zbliżoną do ograniczenia dyfrakcyjnego dla wspomnianej długości fali. W połączeniu z niskim szumem termicznym i optymalnym rozmiarem piksela wynoszącym 17 µm, pozwalają na spełnienie wymagań dotyczących pola widzenia pomiaru (MFOV) wynoszących zaledwie 4 x 4 piksele. Kamera PI 640i obsługuje częstotliwość odświeżania 32 Hz w trybie standardowym lub 125 Hz w trybie niepełnej ramki o wysokiej szybkości, umożliwiając inżynierom monitorowanie szybkich procesów termicznych w czasie rzeczywistym.
Ten zaawansowany bezkontaktowy system analizy termicznej niezawodnie wykrywa i analizuje nawet najmniejsze defekty i niejednorodności termiczne, wspierając testy i walidację nowoczesnych mikroprocesorów, układów MEMS i innych zminiaturyzowanych układów elektronicznych w wysokiej rozdzielczości.
Zaawansowana detekcja defektów w mikroelektronice z wykorzystaniem termografii Dark Lock-In
System obrazowania w podczerwieni PI640i charakteryzuje się niskim szumem NETD, co czyni go wysoce czułym na niewielkie wahania temperatury. Zasada „lock-in” (lub „lock-in amplification”) służy do ekstrakcji użytecznych sygnałów z zaszumionego tła, szczególnie w zastosowaniach, w których do testowanego urządzenia przykładane jest napięcie w celu ujawnienia jego sygnatury termicznej. W niektórych przypadkach do dokładniejszej analizy defektów stosuje się termografię Dark Lock-In (DLIT). Podczas korzystania z DLIT, do testowanego urządzenia jest podłączony do źródła zasilania, a jego emisja ciepła jest mierzona za pomocą kamery termowizyjnej w celu wykrycia lokalnych obszarów o niskiej jakości poprzez analizę temperatury powierzchni.
W DLIT do do testowanego urządzenia przykładane jest napięcie impulsowe, a wynikające z tego modulacje temperatury są rejestrowane. Ta nieniszcząca technika obrazowania jest szczególnie skuteczna w identyfikacji i analizie defektów elektrycznych w urządzeniach mikroelektronicznych. DLIT działa poprzez modulację źródeł ciepła sygnałem okresowym pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, umożliwiając kamerze termowizyjnej wykrywanie subtelnych oscylacji temperatury.
Poprzez okresowe pulsowanie ciepła w próbce i obserwację pola temperatury stymulowanej powierzchni, metoda ta koncentruje się zarówno na krzywych nagrzewania, jak i chłodzenia. Zazwyczaj osiąga się to poprzez przełączanie napięcia zasilania lub modulację sinusoidalną, ujawniając lokalne procesy chłodzenia po każdym impulsie wzbudzenia. Takie podejście pozwala na wykrywanie struktur podpowierzchniowych, co czyni ją szczególnie cenną w zastosowaniach takich jak montaż półprzewodników mocy.
DLIT może wykrywać słabe prądy i drobne szczegóły termiczne, uwypuklając obszary, w których niedoskonałości elektryczne, takie jak nadmierna rekombinacja nośników ładunku, powodują generowanie ciepła. Okresowa modulacja zwiększa zarówno czułość, jak i rozdzielczość przestrzenną, umożliwiając wykrywanie wahań temperatury poniżej progu NETD, aż do poziomu mikrokelwinów. Ta możliwość sprawia, że jest to niezbędne narzędzie do identyfikacji nawet najmniejszych anomalii termicznych.