芯耀
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在半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)向納米級乃至埃米級邁進(jìn)的今天，芯片集成度不斷攀升，內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜。在芯片的全生命周期中，失效問題難以避免，而 Hot Spot 技術(shù)已成為產(chǎn)品工程師破解芯片失效謎團(tuán)的關(guān)鍵利器。該技術(shù)聚焦于芯片內(nèi)部因各種缺陷引發(fā)的過熱或異常電流密度區(qū)域，精準(zhǔn)定位潛在故障點，為后續(xù)深入分析奠定堅實基礎(chǔ)。
一、Hot Spot 的核心概念與關(guān)鍵價值
1.1 精準(zhǔn)定義
Hot Spot，即芯片內(nèi)部在常規(guī)運行或特定測試場景下，因缺陷導(dǎo)致的局部高溫區(qū)域。這些缺陷成因多樣，涵蓋短路、漏電、過度功耗、互連線電遷移等多種情況。例如，在先進(jìn)制程的芯片中，晶體管尺寸不斷縮小，微小的制造瑕疵就可能導(dǎo)致相鄰器件間短路，形成 Hot Spot。
1.2 不可替代的意義
高效定位缺陷：傳統(tǒng)電氣測試如同 “盲人摸象”，僅能知曉芯片存在故障，卻難以鎖定具體位置。Hot Spot 技術(shù)則像精準(zhǔn)的 “定位器”，可將可疑區(qū)域縮小至數(shù)微米甚至納米級，大幅提高故障定位效率。
顯著節(jié)省分析時間：在高度集成的芯片上，若缺乏 Hot Spot 定位，盲目進(jìn)行開封和逐層剖析，不僅耗時漫長，還會大幅增加分析成本。而借助 Hot Spot 技術(shù)，能快速鎖定目標(biāo)區(qū)域，顯著提升失效分析的效率與經(jīng)濟(jì)性。
有效預(yù)防潛在失效：在可靠性分析環(huán)節(jié)，Hot Spot 檢測如同 “安全衛(wèi)士”，可提前發(fā)現(xiàn)潛在高溫區(qū)域，助力工程師從工藝優(yōu)化、設(shè)計改進(jìn)等層面入手，降低芯片失效風(fēng)險。
二、Hot Spot 的典型誘發(fā)因素
2.1 短路與漏電通路
制造過程中的細(xì)微缺陷，或是靜電放電（ESD）損傷，都可能致使 MOS 管、金屬互連或過孔之間出現(xiàn)意外短路。當(dāng)電流異常增大，局部溫度隨之急劇上升，Hot Spot 便應(yīng)運而生。例如，在某款手機芯片中，因過孔制造缺陷引發(fā)短路，導(dǎo)致芯片發(fā)熱嚴(yán)重、性能下降。
2.2 電遷移現(xiàn)象
在金屬互連結(jié)構(gòu)中，高電流密度會驅(qū)使金屬原子遷移，進(jìn)而形成空洞或聚集。這不僅會使互連電阻異常升高，甚至可能導(dǎo)致斷線，成為引發(fā) Hot Spot 的重要因素。隨著芯片制程不斷縮小，電遷移問題愈發(fā)凸顯，成為影響芯片可靠性的關(guān)鍵隱患。
2.3 閂鎖效應(yīng)
在 CMOS 工藝中，P-N-P-N 寄生雙極結(jié)構(gòu)一旦觸發(fā)閂鎖效應(yīng)，就會形成持續(xù)大電流通路，造成局部過熱。這種現(xiàn)象在電源電壓波動或遭受靜電沖擊時極易發(fā)生，嚴(yán)重威脅芯片的正常運行。
2.4 器件老化與材料缺陷
芯片長期運行會導(dǎo)致器件性能退化，而制造過程中產(chǎn)生的微裂紋、應(yīng)力集中點等材料缺陷，也會隨著時間推移演變?yōu)?Hot Spot。例如，在汽車電子芯片中，由于工作環(huán)境惡劣，器件老化和材料缺陷引發(fā)的失效問題尤為突出。
三、多元檢測方法與技術(shù)特性
3.1 紅外熱成像
原理：紅外熱像儀是一種非接觸的測溫儀器，可以通過對物體表面的熱（溫度）進(jìn)行分布成像與分析，直接“看見”芯片的溫度分布。利用紅外相機捕捉芯片表面熱輻射，通過分析熱輻射分布識別溫度異常區(qū)域。
優(yōu)勢：操作簡便，無需接觸芯片，可在封裝狀態(tài)下直接測量；對短路及漏電流等分析效果佳；0.03℃溫度分辨率，20um定位分辨率，可探測uW級功耗。
局限：空間分辨率受探測器像素和光學(xué)系統(tǒng)制約，難以檢測微小熱點，對深層熱點敏感度較低。
3.2 鎖相熱成像
原理：鎖相熱成像（Lock-in Thermography, LIT）是一種動態(tài)紅外熱成像形式，通過周期性調(diào)制熱源，對待測物體進(jìn)行周期加熱。若待測物體內(nèi)部存在缺陷，該缺陷對其上方表面溫度分布會產(chǎn)生周期性的影響，從而產(chǎn)生幅值差和相位差的熱特征。這些特征通過紅外熱像儀捕獲，并通過鎖相技術(shù)將微弱的有用信號從眾多干擾信號中分離出來，大幅提高檢測的靈敏度。
優(yōu)勢：
（一）高靈敏度
鎖相熱成像技術(shù)能夠檢測到極微小的熱信號，其靈敏度比傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱成像方法高二至三個數(shù)量級，可檢測低至uA級漏電流或微短路缺陷。
（二）非接觸式檢測
在不破壞樣品的情況下實現(xiàn)精準(zhǔn)成像，適用于各種封裝狀態(tài)的樣品，包括未開封的芯片和PCBA。
（三）三維可視化
通過相位信息實現(xiàn)微米級深度定位功能，能夠全方位無盲區(qū)再現(xiàn)被測物內(nèi)部構(gòu)造。
（四）快速定位
相比其他檢測技術(shù)，鎖相熱成像技術(shù)能夠在短時間內(nèi)快速定位熱點，縮短失效分析時間。
局限：測試耗時較長，對測試環(huán)境要求苛刻，需嚴(yán)格控制溫度、濕度等因素。
3.3 掃描式熱顯微鏡
原理：借助微懸臂探針探測芯片表面微小區(qū)域溫度變化，采用類似原子力顯微鏡的逐點掃描方式。掃描熱學(xué)顯微鏡通過使用特殊帶熱電偶的針尖，掃描樣品時，熱電偶的溫度，通過熱信號成像放大器，通過AFM處理，同時得到熱成像圖和形貌圖?？梢缘玫蕉繙囟确植汲上駡D，和定性熱導(dǎo)率分布圖。針尖的設(shè)計，可以達(dá)到小于50nm的熱空間分辨率
優(yōu)勢：分辨率可達(dá)亞微米級別，是納米級工藝失效分析的理想工具；納米級精確的溫度測量；超高掃描熱性質(zhì)的空間分辨率成像；靈敏的溫度和熱導(dǎo)率響應(yīng)；支持多種掃描模式（輕敲，接觸，峰值力等模式）
局限：掃描速度緩慢，對測試環(huán)境要求嚴(yán)格，需在超凈、恒溫恒濕環(huán)境下進(jìn)行。
3.4 其他前沿技術(shù)
TIVA：通過激光或熱源局部加熱芯片表面，觀察電壓變化定位缺陷，對檢測斷路、接觸不良等問題效果顯著。利用激光掃描芯片表面的情況下，偵測出哪個位置的阻抗有較明顯變化，這個位置就可能是漏電位置。偵測阻抗變化就是用電壓和電流來反映。
TIVA：給器件回路加上一個微小電流I1，然后讓激光在芯片表面進(jìn)行掃描，同時監(jiān)測回路電壓V的變化。
OBIRCH：光誘導(dǎo)電阻變化（Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH），作為一種新型的高分辨率微觀缺陷定位技術(shù)，能夠在大范圍內(nèi)迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行器件失效缺陷定位，基本上，只要有芯片異常的漏電，它都可以產(chǎn)生亮點出來。
給器件回路加上一個電壓V，然后讓激光在芯片表面進(jìn)行掃描，同時監(jiān)測回路電流I1的變化.
OBIRCH原理：用激光束在通電恒壓下的芯片表面進(jìn)行掃描，激光束部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果芯片存在缺陷點，缺陷處溫度將無法迅速通過金屬線傳導(dǎo)散開，這將導(dǎo)致缺陷處溫度累計升高，并進(jìn)一步引起金屬線電阻以及電流變化，通過變化區(qū)域與激光束掃描位置的對應(yīng)，定位缺陷/失效位置。該方法常用于芯片內(nèi)部高阻抗及低阻抗分析，芯片漏電路徑分析。
激光定位優(yōu)勢：高能激光穿透多層金屬和硅襯底，背面扎針分析能夠節(jié)省傳統(tǒng)1-2天的打線時間，硅Si和三五族芯片都可定位，滿足客戶對漏電短路位置的定位，晶體管、電容、電阻短路、ESD、EOS短路定位都可以實現(xiàn)。
四、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢
4.1 分辨率與靈敏度的極限突破
隨著芯片工藝進(jìn)入納米級甚至埃米級，熱點面積愈發(fā)微小，對檢測技術(shù)的分辨率和靈敏度提出了前所未有的挑戰(zhàn)。未來，掃描式熱顯微鏡、OBIRCH 等技術(shù)將不斷優(yōu)化，通過改進(jìn)探針設(shè)計、提升激光聚焦精度等方式，實現(xiàn)更高分辨率和靈敏度。
4.2 應(yīng)對封裝復(fù)雜度的升級
多層封裝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得芯片內(nèi)部熱點檢測難度劇增。未來，將涌現(xiàn)更先進(jìn)的紅外透視技術(shù)和局部開窗工藝，突破封裝障礙，實現(xiàn)對芯片內(nèi)部熱點的精準(zhǔn)檢測。同時，3D 成像技術(shù)也將與 Hot Spot 檢測深度融合，為工程師提供更全面的芯片內(nèi)部信息。
4.3 復(fù)雜測試場景的精準(zhǔn)適配
許多熱點僅在特定工作電壓、溫度或負(fù)載條件下才會顯現(xiàn)，這要求 Hot Spot 技術(shù)具備更強的環(huán)境適應(yīng)性和場景模擬能力。未來，測試設(shè)備將集成更多功能模塊，能夠精準(zhǔn)模擬各種復(fù)雜工況，確保熱點檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。
4.4 多技術(shù)融合的協(xié)同創(chuàng)新
單一的 Hot Spot 技術(shù)往往存在局限性，未來，Hot Spot 技術(shù)將與 EMMI、X-ray、CSAM 等技術(shù)深度融合，形成綜合性的失效定位和診斷方案。通過多技術(shù)協(xié)同，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，全面提升芯片失效分析的效率和準(zhǔn)確性。
五、總結(jié)與展望
Hot Spot 技術(shù)作為芯片失效分析的核心技術(shù)，在定位短路、漏電等缺陷導(dǎo)致的局部高溫區(qū)域方面發(fā)揮著不可替代的作用。多種檢測方法各有所長，為不同需求的芯片失效分析提供了豐富選擇。通過 Hot Spot 技術(shù)，工程師能夠快速鎖定故障點，大幅縮短分析周期，提升故障定位精度。
展望未來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，Hot Spot 技術(shù)也將不斷演進(jìn)。在應(yīng)對更高分辨率需求、突破復(fù)雜封裝限制、適配多元測試場景以及推動多技術(shù)融合等方面，Hot Spot 技術(shù)將迎來更多突破，為芯片產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供更強有力的技術(shù)支撐，助力工程師攻克芯片失效難題，提升芯片產(chǎn)品的可靠性和競爭力。
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