Caratterizzazione della tecnica di lock-in thermography nella failure analysis di dispositivi elettronici integrati

The development of lock-in thermography for Failure Analysis of integrated circuits by means of heat source detection was fostered by the continuous improvement of ccd cameras in the IR range, and can obviate the increasingly limiting spatial resolution of liquid crystals technique due to continuous scaling of transistors size. In this work we focused on analyses on failing devices coming from stress tests applied during qualification process. This technique is applied by putting a failing device in its anomalous conditions by means of a voltage square wave; spatial localization of the heat source, typically corresponding to the defect, is obtained by analyzing two signals: amplitude and phase. Plane wave approximation is analyzed by means of a FE model with the aim to correlate the phase signal with the depth of the defect. This has been performed in two different conditions: with intact package from frontside, and with the package opened from backside. In the first case a qualitative approach can help us to discriminate if the heat source is located in the package or in the die, while a quantitative approach does not provide useful information. The opposite occurs with devices opened from backside. In this case the die is exposed on silicon side, which is transparent in IR range, and it is possible to identify with good resolution the level of the heat source, that usually corresponds to the defect.

La tecnica della termografia in lock-in per la rilevazione microscopica delle sorgenti di calore nell’ambito della Failure Analysis di dispositivi integrati nasce grazie al continuo sviluppo e miglioramento dei sensori ccd operanti nello spettro dell’infrarosso, e sopperisce ai limiti di risoluzione spaziale della tecnica dei cristalli liquidi per quanto riguarda le tecnologie più avanzate. La Failure Analysis in fase di qualifica, dove si colloca questo lavoro di tesi, consiste nell’analizzare dispositivi che hanno mostrato un comportamento anomalo a seguito di stress applicati sugli stessi. La tecnica viene applicata ponendo un campione fallente nelle condizioni in cui il fallimento viene attivato, tramite l’applicazione di un’onda quadra di tensione; la sorgente di calore, che solitamente coincide col difetto, viene spazialmente individuata analizzando un segnale di ampiezza e uno di fase. Validata l’approssimazione di onda piana con un modello ad elementi finiti, il segnale di fase è stato correlato sperimentalmente per ottenere la profondità del difetto. In questo lavoro di tesi tale procedimento è stato eseguito per dispositivi in due diverse condizioni: a package integro da fronte, e a package aperto da retro. Nel primo caso le maggiori informazioni si ottengono valutando qualitativamente il segnale: tali informazioni sono al solito sufficienti a definire se la sorgente di calore si trova nel package o sul silicio. Nel caso di dispositivo a package aperto da retro, poiché si è esposto il silicio del die e poiché esso è trasparente nell’IR, è stato invece possibile determinare con una buona risoluzione il livello del dispositivo in cui è presente la sorgente di calore, cioè il difetto.