DE10136774C1

DE10136774C1 - Heat source investigation method for electrically conductive probe uses image analysis of fluorescence of fluorescent material with temperature-dependent fluorescence characteristic

Info

Publication number: DE10136774C1
Application number: DE2001136774
Authority: DE
Inventors: Frank Altmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: WO2003012468A1

Abstract

The heat source investigation method has at least one surface of the electrically conductive probe (3) provided with a fluorescent material which has a temperature-dependent fluorescence characteristic, which is stimulated before, during and/or after application of an electrical voltage to the electrically conductive probe, with image analysis of the fluorescence. The electrical voltage is subjected to a modulation frequency, the imaging device (6) phase coupled with the modulation frequency via a lock-in principle. An Independent claim for a device for investigation of heat sources within an electrically conductive probe is also included.

Description

Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmequellen innerhalb einer elektrisch leitendes Material aufweisenden Probe, die zu Zwecken einer Wärmeentwicklung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, bei dem die Probe auf wenigstens einer Probenoberfläche mit einem fluoreszierenden Mittel beaufschlagt wird, dessen Fluoreszenzeigenschaft temperaturabhängig ist, die derart präparierte Probenoberfläche einem das fluoreszierende Mittel energetisch anregenden Energiestrom ausgesetzt wird bevor, während und/oder nachdem die Probe mit der elektrischen Spannung versorgt wird und mittels einer Bildaufnahmevorrichtung Bilder von der präparierten Probenoberfläche austretende Fluoreszenzstrahlung aufgenommen und mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden.The invention relates to a method and an apparatus for Examination of heat sources within an electrically conductive material having sample, for the purpose of heat generation with an electrical Voltage is applied in which the sample on at least one A fluorescent agent is applied to the sample surface Fluorescence property is temperature dependent, which is prepared in this way Sample surface energetically stimulates the fluorescent agent Energy flow is suspended before, during and / or after the sample with the is supplied with electrical voltage and by means of an image recording device Images of fluorescent radiation emerging from the prepared sample surface recorded and evaluated by means of an evaluation unit.

State of the art

Die Funktion elektronischer Bauelemente wie z. B. integrierter Schaltkreise (ICs), beruht auf internen Stromflüssen. Dabei kommt es stets auch zur Bildung von lokalen Wärmequellen. Diese Wärmequellen können durch verschiedene Mechanismen bedingt sein, wie z. B. Joulesche Wärme beim Fließen eines Stromes durch einen elektrischen Widerstand, Rekombinationswärme bei der Rekombination von Nichtgleichgewichts-Ladungsträgern in einem Halbleiter, Relaxationswärme beim Thermalisieren heißer Ladungsträger, oder Peltierwärme beim Übergang des Stromes am Kontakt zwischen verschiedenen Leitermaterialien. Deshalb ist es naheliegend, die thermographische Abbildung von lokalen Temperaturunterschieden in Halbleiterbauelementen zur Funktionstestung dieser Bauelemente zu verwenden.The function of electronic components such. B. integrated circuits (ICs), is based on internal current flows. This always leads to the formation of local ones Heat sources. These heat sources can be created through various mechanisms be conditional, such as B. Joule heat when a current flows through one electrical resistance, recombination heat when recombining Non-equilibrium charge carriers in a semiconductor, relaxation heat in Thermalization of hot charge carriers, or Peltier heat at the transition of the Current at the contact between different conductor materials. That's why it is obvious, the thermographic mapping of local temperature differences to be used in semiconductor components for functional testing of these components.

Bisher übliche Methoden zur thermographischen Untersuchung elektronischer Bauelemente sind die Untersuchung mit einer Infrarot-(IR-)Thermokamera (siehe z. B. J. McDonald, L. Optics, G. Albright, "Microthermal imaging in the infrared", Electronics Cooling 3 (1997) pp.), die Untersuchung mit temperaturempfindlichen Flüssigkristallen (siehe z. B. D.J. Farina, "High resolution thermal mapping of integrated circuits using nematic and thermochromic liquid crystals", Temptronic Corp. publication), und Fluorescent Microthermal Imaging (abgekürzt FMI, siehe z. B. P. Kolodner, J.A. Tyson, "Microscopic fluorescent imaging of surface temperature profiles with 0.01°C resolution", Appl. Phys. Lett. 40 (1982) pp. 782-784).Previously common methods for thermographic examination of electronic Components are the examination with an infrared (IR) thermal camera (see z. B. J. McDonald, L. Optics, G. Albright, "Microthermal imaging in the infrared", Electronics Cooling 3 (1997) pp.), The investigation with temperature sensitive Liquid crystals (see e.g. D.J. Farina, "High resolution thermal mapping of integrated circuits using nematic and thermochromic liquid crystals ", Temptronic Corp. publication), and Fluorescent Microthermal Imaging (abbreviated FMI, see e.g. P. Kolodner, J.A. Tyson, "Microscopic fluorescent imaging of surface temperature profiles with 0.01 ° C resolution ", Appl. Phys. Lett. 40 (1982) pp. 782-784).

Insbesondere das letztgenannte FMI-Verfahren hat sich in den letzten Jahren neben dem Flüssigkristallverfahren als Standardverfahren zur thermischen Funktionstestung von elektronischen Bauelementen und Schaltkreisen etabliert, da seine Empfindlichkeit etwa eine Größenordnung besser als die der anderen beiden Verfahren ist. Weiterhin weist das FMI-Verfahren eine nominelle Ortsauflösung bis in den sub-Mikrometer Bereich hinein auf.In particular, the last-mentioned FMI procedure has been in the past few years the liquid crystal process as the standard process for thermal Functional testing of electronic components and circuits established because its sensitivity is about an order of magnitude better than that of the other two Procedure is. Furthermore, the FMI method has a nominal spatial resolution up to the sub-micron range.

Bei dem FMI-Verfahren wird eine dünne Schicht eines speziellen Farbstoffs auf die Oberfläche der Probe gebracht, dessen Lumineszenz im sichtbaren Spektralbereich bei UV-Beleuchtung stark temperaturabhängig ist. In der Fluoreszenzmikroskopie erscheinen erwärmte Bereiche daher dunkler als nicht erwärmte Bereiche.In the FMI process, a thin layer of a special dye is applied to the Bring surface of the sample, its luminescence in the visible spectral range with UV lighting is strongly temperature-dependent. In fluorescence microscopy warmed areas therefore appear darker than unheated areas.

Da wegen der Degradation des verwendeten Farbstoffs die anregende UV-Intensität nicht beliebig hoch gewählt werden kann, muß bei der Messung der Lumineszenzintensität eine Bildintegrationszeit von üblicherweise einigen Sekunden bis hin zu Minuten gewählt werden, um ein möglichst rauschfreies Bild zu erhalten. Dies ist mit üblichen CCD-Kameras weder möglich noch wegen des Detektorrauschens sinnvoll. Deshalb wird beim FMI-Verfahren üblicherweise mit einer gekühlten hochauflösenden sogenannten Slow-Scan CCD-Kamera gearbeitet, die eine Bildintegrationszeit üblicherweise von vielen Sekunden aufweist. Um den Einfluss der Oberflächentopographie zu unterdrücken und ein möglichst rein "thermisches" Signal zu erreichen, wird üblicherweise mit Methoden der Bildspeicherung und Bildverarbeitung das Lumineszenzbild unter elektrischer Belastung des Bauteils von dem ohne Belastung subtrahiert und nur das Differenzbild dargestellt.Because of the degradation of the dye used, the stimulating UV intensity cannot be chosen arbitrarily high, must be measured when measuring the Luminescence intensity an image integration time of usually a few seconds up to minutes can be selected to get the most noise-free image possible. This is neither possible with conventional CCD cameras nor because of the Detector noise makes sense. That is why the FMI method is usually used a cooled high-resolution slow scan CCD camera, which usually has an image integration time of many seconds. To the To suppress the influence of the surface topography and make it as pure as possible "Thermal" signal is usually achieved using methods of Image storage and image processing the luminescent image under electrical Subtracted the load of the component from the no load and only that Difference image shown.

Obwohl sich das FMI-Verfahren vielerorts etabliert hat, hat es doch noch einige Nachteile. Der Hauptnachteil betrifft die Temperaturauflösung von 0,01°C (= 10 mK), die für viele Anwendungsfälle unzureichend ist. Gerade zur Untersuchung von sogenannten "low power"-Bauelementen wäre die Verbesserung der Empfindlichkeit um weitere 1 bis 2 Größenordnungen wünschenswert.Although the FMI process has become established in many places, it still has a few Disadvantage. The main disadvantage concerns the temperature resolution of 0.01 ° C (= 10 mK), which is insufficient for many applications. Straight to Investigation of so-called "low power" components would be the improvement sensitivity by another 1 to 2 orders of magnitude desirable.

Weiterhin macht sich bei der Untersuchung von Silizium-Bauelementen die starke Wärmeleitfähigkeit von Silizium störend bemerkbar, zumal sich die in einem bestimmten Gebiet erzeugte Wärme hierdurch relativ schnell, d. h. innerhalb von wenigen Millisekunden, lateral auszubreiten vermag, wodurch nach kurzer Zeit die lateralen Temperaturkontraste "verschmieren". Dieser Effekt tritt vor allem bei makroskopischen Anwendungen auf, wenn die Wärmequellen nicht klein gegen die Abmessungen der Probe sind.Furthermore, the strong one makes itself felt when examining silicon components Thermal conductivity of silicon is noticeably noticeable, especially since it is in one heat generated in a certain area thereby relatively quickly, d. H. within a few milliseconds laterally, which means that after a short time the "Smear" lateral temperature contrasts. Above all, this effect occurs macroscopic applications when the heat sources are not small against the Dimensions of the sample are.

Ein analoges Problem tritt auch bei der Infrarot (IR) Thermographie auf, wenn diese als stationäres Verfahren betrieben wird, d. h. wenn der Wärmeeintrag, bedingt durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an der Probe, zeitlich konstant ist. Darüber hinaus hat die IR-Thermographie noch den Nachteil, dass die Ortsauflösung des Verfahrens wellenlängenbedingt auf einen Bereich von 3-5 µm beschränkt ist. Dadurch eignet sich die IR-Thermographie prinzipiell nicht zur Untersuchung von sub-Mikrometer Strukturen.An analogous problem also occurs with infrared (IR) thermography if this is operated as a stationary process, d. H. if the heat input is caused by the application of an electrical voltage to the sample is constant over time. About that In addition, IR thermography has the disadvantage that the spatial resolution of the Process wavelength is limited to a range of 3-5 microns. As a result, IR thermography is in principle not suitable for the investigation of sub-micron structures.

Eine bessere Ausnutzung des Potenzials der IR Thermographie lässt sich durch die sogenannte Lock-in Thermographie erreichen. Bei der Lock-in Thermographie wird der Wärmeeintrag periodisch moduliert und dazu phasengekoppelt einzelne Thermobilder aufgenommen. Durch die numerische Korrelation der aufgenommenen Thermobilder wird erreicht, dass das Ergebnis die lokale periodische Temperaturmodulation widerspiegelt. Lock-in Thermographie unter der Verwendung von Infrarotkameras ist an sich bekannt und wird z. B. für die nichtzerstörende Werkstoffprüfung eingesetzt (z. B. G. Busse, D. Wu, W. Karpen, "Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography", J. Appl. Phys. 71 (1992) pp. 3962-3965).Better exploitation of the potential of IR thermography can be achieved through the achieve so-called lock-in thermography. With lock-in thermography the heat input is periodically modulated and phase-coupled to it Thermal images taken. Through the numerical correlation of the recorded Thermal images is achieved that the result is local periodic Reflects temperature modulation. Using lock-in thermography of infrared cameras is known per se and z. B. for the non-destructive Materials testing used (e.g. G. Busse, D. Wu, W. Karpen, "Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography ", J. Appl. Phys. 71 (1992) pp. 3962 to 3965).

Es hat sich herausgestellt, daß man mit der Lock-in Thermographie sowohl die Temperaturauflösung als auch die makroskopische Ortsauflösung gegenüber der stationären IR-Thermographie entscheidend verbessern kann (O. Breitenstein, M. Langenkamp, F. Altmann, D. Katzer, A. Lindner, H. Eggers, "Microscopic lock-in thermography investigation of leakage sites in integrated circuits", Rev. Sci. Instr. 71 (2000) pp. 4155-4160). Allerdings ist die mikroskopische Ortsauflösung dieses Verfahrens durch die verwendete Wellenlänge auf 3-5 µm begrenzt, wodurch es ebenfalls nicht zur Untersuchung von sub-Mikrometer Strukturen eingesetzt werden kann. It has been found that lock-in thermography can be used for both Temperature resolution as well as the macroscopic spatial resolution compared to the can significantly improve stationary IR thermography (O. Breitenstein, M. Langenkamp, F. Altmann, D. Katzer, A. Lindner, H. Eggers, "Microscopic lock-in thermography investigation of leakage sites in integrated circuits ", Rev. Sci. Instr. 71 (2000) pp. 4155-4160). However, the microscopic spatial resolution is this Process limited by the wavelength used to 3-5 microns, which makes it can also not be used to examine sub-micrometer structures can.

In der US 5,653,539 A ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Temperaturerfassung einer Oberfläche beschrieben, auf der eine Chemolumineszenzschicht aufgebracht ist, die ein temperaturabhänige Lumineszenzstrahlung zu emittieren vermag, die mittels eines geeigneten Detektors empfangen und über eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Oberflächentemperatur herangezogen wird.No. 5,653,539 A describes a method and an apparatus for Temperature detection of a surface described on the one Chemiluminescent layer is applied, which is a temperature-dependent Can emit luminescent radiation by means of a suitable detector received and via an evaluation unit for determining the Surface temperature is used.

Schließlich ist aus der EP 1006346 A1 ein Messverfahren zur Bestimmung der Oberflächentemperatur zu entnehmen, das auf dem Prinzip der Phophoreszenmessung beruht. Hierbei wird auf einer zu untersuchenden Oberfläche eine Phosphor- oder Phosphor-haltige Schicht aufgebracht, deren temperaturabhängige Lumineszenzstrahlung von einem Detektorsystem empfangen und entsprechend ausgewertet wird.Finally, EP 1006346 A1 describes a measuring method for determining the Surface temperature, which is based on the principle of Phophoresis measurement is based. This is done on a surface to be examined applied a phosphorus or phosphorus-containing layer, the receive temperature-dependent luminescence radiation from a detector system and is evaluated accordingly.

Auch mit den beiden vorstehend genannten Verfahren ist nur eine grobe ortsaufgelöste Temperaturmessung erzielbar.Even with the two methods mentioned above is only a rough one spatially resolved temperature measurement achievable.

Presentation of the invention

Es besteht daher die Aufgabe ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmequellen innerhalb einer elektrisch leitendes Material aufweisenden Probe, die zu Zwecken einer Wärmeentwicklung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, derart weiterzubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll das Verfahren zur thermischen Funktionsdiagnostik von elektronischen Bauelementen dienen und über eine bessere Temperaturauflösung und eine bessere makroskopische Ortsauflösung als das FMI-Verfahren verfügen. Außerdem soll das Verfahren nicht durch Temperaturdrift beeinflusst werden. Schließlich soll die Durchführung des Verfahrens auch unter der Verwendung preiswerter ungekühlter CCD-Kameras möglich sein.There is therefore the task of a method and an apparatus for Examination of heat sources within an electrically conductive material having sample, for the purpose of heat generation with an electrical Voltage is applied to develop such that the above to the state the disadvantages mentioned technology can be avoided. In particular, that should Method for the thermal functional diagnosis of electronic components serve and about better temperature resolution and better macroscopic spatial resolution than the FMI method. In addition, that should Processes are not affected by temperature drift. After all, the Carrying out the process also using inexpensive uncooled CCD cameras may be possible.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 18 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, mit der die Durchführung des Verfahrens möglich ist. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der Figur zu entnehmen.The object underlying the invention is achieved in claim 1 specified. The subject of claim 18 is a trained according to the invention Device with which the method can be carried out. The Features of the invention that are advantageously further developed are the subclaims as well as the description and the figure.

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz geht von dem an sich bekannten FMI- Verfahren aus, bei dem zur Untersuchung von Wärmequellen innerhalb einer elektrisch leitendes Material aufweisenden Probe, die Probe zu Zwecken einer Wärmeentwicklung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird. Die Probe ist dabei auf wenigstens einer ihrer Probenoberfläche mit einem fluoreszierenden Mittel versehen, dessen Fluoreszenzeigenschaft temperaturabhängig ist, und wird einem das fluoreszierende Mittel energetisch anregenden Energiestrom ausgesetzt, bevor, während und/oder nachdem die Probe mit der elektrischen Spannung versorgt wird. Mit Hilfe einer Bildaufnahmevorrichtung werden Bilder von der aus der präparierten Probenoberfläche austretenden Fluoreszenzstrahlung aufgenommen und mittels einer Auswerteeinheit entsprechend ausgewertet. Erfindungsgemäß wird nun die elektrische Spannung mit einer Modulationsfrequenz f_P beaufschlagt und die Bildaufnahmevorrichtung mit der Modulationsfrequenz f_P im Wege eines Lock-in- Prinzips phasengekoppelt.The approach according to the invention is based on the FMI method, which is known per se, in which an electrical voltage is applied to the sample for the purpose of examining heat sources within a sample comprising electrically conductive material, for the purpose of developing heat. The sample is provided on at least one of its sample surfaces with a fluorescent agent, the fluorescence property of which is temperature-dependent, and is exposed to an energy flow that energizes the fluorescent agent before, during and / or after the sample is supplied with the electrical voltage. With the aid of an image recording device, images of the fluorescence radiation emerging from the prepared sample surface are recorded and evaluated accordingly by means of an evaluation unit. According to the invention, a modulation frequency f _P is now applied to the electrical voltage and the image recording device is phase-coupled to the modulation frequency f _P by means of a lock-in principle.

Durch die mit einer vorgebbaren Modulationsfrequenz f_P beaufschlagte, an die Probe angelegte elektrische Spannung wird innerhalb der Probe ein gepulster Wärmeeintrag erzeugt, der im Wege des Lock-in Prinzips phasengekoppelt von der Bildaufnahmevorrichtung, die Bilder mit einer ebenfalls vorgebbaren Bildwiederholfrequenz f_w aufnimmt, aufgezeichnet wird. Hierdurch wird die gute mikroskopische Ortsauflösung des FMI-Verfahrens mit der Verbesserung der lokalen Temperaturempfindlichkeit und der makroskopischen Ortsauflösung des Lock-in IR- Thermographie Verfahrens kombiniert. Das bedeutet, dass die elektrische Spannung nicht mehr wie bisher beim IR-Thermographie Verfahren stationär an die zu untersuchende Probe, die vorzugsweise ein elektronisches Bauelement ist, gelegt wird, sondern dass das Bauelement z. B. mit einer vorzugsweise rechteckförmig gepulsten elektrischen Spannung betrieben wird. A pulsed heat input is generated within the sample by the electrical voltage applied to the sample with a predeterminable modulation frequency f _P, which is recorded in phase lock-in principle by the image recording device, which records images with a likewise predeterminable refresh rate f _w becomes. This combines the good microscopic spatial resolution of the FMI method with the improvement of the local temperature sensitivity and the macroscopic spatial resolution of the lock-in IR thermography method. This means that the electrical voltage is no longer applied to the sample to be examined, which is preferably an electronic component, stationary, as was previously the case with the IR thermography method. B. is operated with a preferably rectangular pulsed electrical voltage.

Der das fluoreszierende Mittel auf der Proben-, bzw. Bauelementoberfläche anregende Energiestrom ist vorzugsweise UV Strahlung, die im einfachsten Fall stationär, d. h. mit einer zeitlich konstanten Intensität, auf die Oberfläche eingestrahlt wird. Die lumineszierende Oberfläche wird in einem Lichtmikroskop mit einer empfindlichen Kamera als Bildaufnahmevorrichtung aufgenommen, digitalisiert und einem Computersystem als Auswerteeinheit zugeführt.The fluorescent agent on the sample or component surface Exciting energy flow is preferably UV radiation, which in the simplest case stationary, d. H. with a constant intensity over time, radiated onto the surface becomes. The luminescent surface is in a light microscope with a sensitive camera recorded, digitized and fed to a computer system as an evaluation unit.

Die Kamera wird mit einer festen Bildwiederholfrequenz f_w betrieben, die je nach Kameratyp zwischen unter einem Herz und etwa 50 Hz oder darüber liegt. Mit Hilfe des Lock-in Prinzips wird die Modulation der an das Bauelement angelegten elektrischen Spannung mit der Bildwiederholfrequenz f_w im Wege einer Phasenkopplung miteinander korreliert. Vorzugsweise erfolgt die Lock-in Korrelation der der Auswerteeinheit zugeführten Bilder der Kamera nach einem bei der Lock-in IR-Thermographie üblichen Verfahren. Beispielhaft sei auf das einfachste Verfahren der 4-Punkt Korrelation (G. Busse, D. Wu, W. Karpen, "Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography", J. Appl. Phys. 71 (1992) pp. 3962-3965) verwiesen, bei der in jeder Lock-in Periode, d. h. während das Bauelement mit elektrischer Spannung versorgt wird, vier Bilder in zeitlich gleichmäßigen Abständen gemessen werden, und für jeden Bildpunkt aus diesen vier Werten S1, S2, S3 und S4 die Temperatur-Modulationsamplitude A und die Phasenlage Φ der Temperaturmodulation nach folgender Vorschrift berechnet werden:
The camera is operated at a fixed refresh rate f _w , which, depending on the camera type, is between under a heart and about 50 Hz or above. With the aid of the lock-in principle, the modulation of the electrical voltage applied to the component is correlated with the image repetition frequency f _w by means of a phase coupling. The lock-in correlation of the images of the camera supplied to the evaluation unit is preferably carried out using a method customary in lock-in IR thermography. An example is the simplest 4-point correlation method (G. Busse, D. Wu, W. Karpen, "Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography", J. Appl. Phys. 71 (1992) pp. 3962-3965 ) referenced, in which four images are measured at equal intervals in each lock-in period, ie while the component is being supplied with electrical voltage, and the temperature modulation amplitude for each pixel from these four values S1, S2, S3 and S4 A and the phase position Φ of the temperature modulation can be calculated according to the following rule:

Das Lock-in Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Messung über viele Lock- in Perioden gemittelt bzw. integriert werden kann, wodurch sich das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert. Die Lock-in Integrationszeit ist bezüglich des Rauschens äquivalent der Bildintegrationszeit bei dem konventionellen, stationären FMI-Verfahren. Bei dem erfindungsgemäßen Lock-in-FMI-Verfahren verteilt sich diese Integrationszeit jedoch auf viele einzelne Modulationsperioden. Der Vorteil des Verfahrens besteht deshalb auch darin, dass die Verwendung teurer gekühlter slow- scan CCD Kameras nicht erforderlich ist, sondern preiswertere CCD-Kameras verwendet werden können, die bei einer Bildwiederholfrequenz von 50 Hz oder sogar darüber arbeiten. Der Grund dafür ist, daß langsame Signaländerungen bei Verwendung des Lock-in Verfahrens ohnehin nicht in das Ergebnis eingehen.The lock-in method is characterized in that the measurement over many lock can be averaged or integrated in periods, whereby the signal-to-noise Ratio improved. The lock-in integration time is in terms of noise equivalent to the image integration time in the conventional, stationary FMI method. In the lock-in FMI method according to the invention, it is distributed this integration time, however, on many individual modulation periods. The advantage of The process therefore also consists in the fact that the use of expensive cooled slow- scan CCD cameras is not required, but cheaper CCD cameras can be used at a refresh rate of 50 Hz or even work about it. The reason for this is that slow signal changes at Use of the lock-in procedure will not be included in the result anyway.

Die maximal mögliche Lock-in Frequenz, die zunächst der Modulationsfrequenz f_P entspricht, mit der das Bauelement mit elektrischer Spannung beaufschlagt wird, beträgt für diese Art der Verfahrensdurchführung f_lock-in = f_P = f_w/4, liegt also noch deutlich unterhalb der Bildwiederholfrequenz f_w der Kamera. Dies stellt jedoch vor allem bei der Verwendung einer slow-scan CCD Kamera eine deutliche Einschränkung dar. Demgegenüber ist aus der Lock-in IR-Thermographie bekannt, dass die makroskopische Ortsauflösung dieses Verfahrens um so besser wird, je höher die Lock-in Frequenz ist. Lock-in Thermographie mit sehr niedrigen Frequenzen von wenigen Hz oder sogar darunter ergibt daher keine Verbesserung der makroskopischen Ortsauflösung gegenüber der stationären Thermographie. Deshalb sind bei der Lock-in Thermographie Frequenzen im 100 Hz-Bereich bis in den kHz- oder sogar MHz-Bereich hinein anzustreben. Da dies bei den für das FMI Verfahren üblichen slow-scan CCD Kameras nicht möglich ist, ist die Kombination von Lock-in-Verfahren und FMI-Verfahren nicht naheliegend.The maximum possible lock-in frequency, which initially corresponds to the modulation frequency f _P with which the component is subjected to electrical voltage, is f _lock-in = f _P = f _w / 4 for this type of method implementation, and is therefore still significantly below the refresh rate f _{w of} the camera. However, this is a significant limitation, especially when using a slow-scan CCD camera. In contrast, it is known from lock-in IR thermography that the higher the lock-in frequency, the better the macroscopic spatial resolution of this method , Lock-in thermography with very low frequencies of a few Hz or even below therefore does not improve the macroscopic spatial resolution compared to stationary thermography. For this reason, frequencies in the 100 Hz range up to the kHz or even MHz range should be aimed for in lock-in thermography. Since this is not possible with the slow-scan CCD cameras common for the FMI process, the combination of lock-in process and FMI process is not obvious.

In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführung des Verfahrens kann die Modulationsfrequenz f_P und damit auch die effektive Lock-in Frequenz jedoch auch deutlich oberhalb von der Bildwiederholfrequenz f_w liegen. Dazu wird die Amplitude und somit die Intensität des anregenden UV-Lichts nicht konstant gehalten, sondern mit einer Frequenz f_mod moduliert, die sich vorzugsweise von f_P etwas unterscheidet. Eine optimale UV-Modulationsfrequenz ist f_mod = (f_P + f_w/4).In a special embodiment of the method according to the invention, however, the modulation frequency f _P and thus also the effective lock-in frequency can also be significantly above the refresh rate f _w . For this purpose, the amplitude and thus the intensity of the exciting UV light is not kept constant, but is modulated with a frequency f _mod , which preferably differs somewhat from f _P. An optimal UV modulation frequency is f _mod = (f _P + f _w / 4).

Wenn die Relaxationszeit der Lumineszenz des verwendeten Farbstoffs genügend klein ist, dann führen diese Versuchsbedingungen dazu, dass das Lumineszenzlicht mit einer Frequenz von f_w/4 amplitudenmoduliert ist. Das heißt, dass hier ebenso wie vorstehend beschrieben mit jeweils vier aufeinanderfolgenden Kamera-Bildern die 4-Punkt Korrelation durchgeführt werden kann, obwohl die zum Wärmeeintrag verwendete Impulsfolgefrequenz wesentlich höher ist.If the relaxation time of the luminescence of the dye used is sufficiently short, then these test conditions lead to the luminescence light being amplitude-modulated with a frequency of f _w / 4. This means that the four-point correlation can be carried out here, as described above, with four successive camera images, even though the pulse repetition frequency used for the heat input is significantly higher.

Eine weitere besonders vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass zur Modulation des Wärmeeintrags in die Probe nicht die elektrische Spannung des untersuchten Bauelements gepulst wird, sondern dass eine Nenn-Betriebsspannung permanent angelegt wird und lediglich gewisse Steuereingänge des Bauelementes mit Steuerspannungen geeignet angesteuert werden. In Abhängigkeit von diesen Steuersignalen entstehen und verschwinden im Bauelement bestimmt Wärmequellen, die Aufschluss über die Funktion des Bauelements geben können. Durch ein komplexes Timing verschiedener Steuersignale und Taktsignale kann erreicht werden, das ausschließlich die zu untersuchenden Elemente gezielt so aktiviert werden, daß sie eine periodisch modulierte Wärme erzeugen, die dann von dem Lock-in FMI-Verfahren nachgewiesen wird. Damit ist eine detaillierte Untersuchung der Funktion komplexer Strukturen möglich, die weit über die summarische Abbildung innerer Wärmequellen in dem betreffenden Bauelement hinausgeht.Another particularly advantageous method variant provides that for Modulation of the heat input into the sample does not affect the electrical voltage of the examined component is pulsed, but that a nominal operating voltage is permanently applied and only certain control inputs of the component appropriately controlled with control voltages. Depending on these Control signals arise and disappear in the component Heat sources that can provide information about the function of the component. By complex timing of various control signals and clock signals can be achieved that only the elements to be examined specifically so are activated so that they generate a periodically modulated heat, which then by the lock-in FMI procedure is proven. So that is a detailed Investigation of the function of complex structures that go far beyond the Summary mapping of internal heat sources in the component in question goes.

Brief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigtThe invention is hereinafter described without limitation of the general The inventive concept based on an embodiment with reference to the Drawing described as an example. It shows

Fig. 1 Schematisierter Schaltplan einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Fig. 1 Schematic circuit diagram of an apparatus for performing the method according to the invention.

Ways of carrying out the Invention, Industrial Usability

In Fig. 1 ist das Funktionsdiagramm für ein typisches Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Lock-in-FMI Verfahrens dargestellt.In Fig. 1, the functional block diagram of a typical embodiment for carrying out the invention is shown lock-in method FMI.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zeigt ein elektronisches Bauelement (3), auf dessen Bauelementoberfläche, die von einem fluoreszierenden Mittel überzogen ist, UV-Strahlung aus einer UV-Beleuchtungseinrichtung (4) gerichtet ist. Die UV-Strahlung verursacht Fluoreszenzstrahlung, die über ein Mikroskop (5) auf eine CCD-Kamera (6) abgebildet wird. Die von der CCD-Kamera (6) aufgenommenen Bilder werden anschließend in einem Computer (7) ausgewertet.The device shown in Fig. 1 shows an electronic component ( 3 ), on the component surface, which is coated with a fluorescent agent, UV radiation from a UV lighting device ( 4 ) is directed. The UV radiation causes fluorescence radiation, which is imaged onto a CCD camera ( 6 ) using a microscope ( 5 ). The images recorded by the CCD camera ( 6 ) are then evaluated in a computer ( 7 ).

Das Bauelement (3) selbst wird mittels eines Frequenzgenerators (1) und einem Multiplexer (2) im Rahmen einer digitalen Frequenzaufbereitung, wie nachstehend beschrieben mit elektrischer Spannung beaufschlagt.The component ( 3 ) itself is supplied with electrical voltage by means of a frequency generator ( 1 ) and a multiplexer ( 2 ) as part of a digital frequency processing, as described below.

Die digitale Frequenzaufbereitung besteht darin, das die UV-Beleuchtung während der Aufnahme jedes einzelnen Bildes mit der gleichen Frequenz moduliert wird, mit der auch die Wärmeerzeugung in der Probe moduliert wird (f_mod = f_P). Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildaufnahmen wird jedoch die Phase der UV-Modulation gegenüber der Probenerwärmung um jeweils 90° verschoben. Dadurch beträgt nach der Aufnahme von 4 Bildern die gesamte Phasenverschiebung 360°, was einer mittleren Frequenzdifferenz von 1/4 der Bildwiederholfrequenz entspricht.The digital frequency processing consists in modulating the UV illumination with the same frequency during the recording of each individual image, with which the heat generation in the sample is also modulated (f _mod = f _P ). Between two successive image recordings, however, the phase of UV modulation is shifted by 90 ° in relation to sample heating. As a result, the total phase shift after taking 4 pictures is 360 °, which corresponds to an average frequency difference of 1/4 of the refresh rate.

Dazu hat der für die Modulation verwendete Frequenzgenerator (1) vier Ausgänge, an denen die eingestellte Modulationsfrequenz mit einer Phasenlage von 0° (Referenz), 90°, 180° und 270° erscheint. Der Multiplexer (2) selektiert eines dieser vier Signale und verwendet es zum Pulsen der Wärmeerzeugung in der untersuchten Probe (3). Diese wird von einer UV-Beleuchtungseinrichtung (4) bestrahlt, deren Intensität von dem 0° (Referenz) Signal des Signalgenerators (1) moduliert wird. Das erzeugte Lumineszenzbild wird über das Mikroskop (5) von der CCD-Kamera (6) aufgenommen, die mit einer festen Bildwiederholfrequenz f_w betrieben wird. Das der Kamerasteuerung entnommene Bild-Trigger Signal wird dazu verwendet, den Multiplexer (2) zyklisch weiterzuschalten, wodurch nach jedem aufgenommenen Bild die Phase der Probenansteuerung um 90° erhöht wird. Die dem Computersystem (7) übermittelten Bilder der Kamera (6) werden dort nach der bekannten 4-Punkt Methode miteinander korreliert, bei Bedarf über mehrere Perioden gemittelt, und nach der Aufnahme von mindestens 4 Bildern wie in der Lock-in Thermographie üblich dargestellt. For this purpose, the frequency generator ( 1 ) used for the modulation has four outputs, at which the set modulation frequency appears with a phase angle of 0 ° (reference), 90 °, 180 ° and 270 °. The multiplexer ( 2 ) selects one of these four signals and uses it to pulse the heat generation in the sample under investigation ( 3 ). This is irradiated by a UV lighting device ( 4 ), the intensity of which is modulated by the 0 ° (reference) signal of the signal generator ( 1 ). The luminescence image generated is recorded via the microscope ( 5 ) by the CCD camera ( 6 ), which is operated at a fixed refresh rate f _w . The image trigger signal taken from the camera control is used to switch the multiplexer ( 2 ) cyclically, whereby the phase of the sample control is increased by 90 ° after each captured image. The images of the camera ( 6 ) transmitted to the computer system ( 7 ) are correlated with one another there according to the known 4-point method, averaged over several periods if necessary, and are displayed after taking at least 4 images as is customary in lock-in thermography.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Frequenzgenerator
frequency generator

22

Multiplexer
multiplexer

33

Probe, Bauelement
Sample, component

44

Beleuchtungsmittel
lighting means

55

Mikroskop
microscope

66

Kamera
camera

77

Computer, Auswerteeinheit
Computer, evaluation unit

Claims

1. A method for examining heat sources within a sample ( 3 ) which has an electrically conductive material and which is subjected to an electrical voltage for the purpose of heat development, in which
the sample ( 3 ) is exposed to at least one sample surface with a fluorescent agent, the fluorescence property of which is temperature-dependent,
the sample surface thus prepared is exposed to an energy flow energizing the fluorescent agent before, during and / or after the sample is supplied with the electrical voltage and
images of the fluorescent radiation emerging from the prepared sample surface are recorded by means of an image recording device ( 6 ) and evaluated by means of an evaluation unit ( 7 ),
characterized in that a modulation frequency f _{P is} applied to the electrical voltage and the image recording device ( 6 ) is phase-coupled with the modulation frequency f _P by means of a lock-in principle.

2. The method according to claim 1, characterized in that the image recording device ( 6 ) records images with an image repetition frequency f _w of the prepared sample surface from which fluorescent radiation emerges.

3. The method according to claim 2, characterized in that the reciprocal value of the modulation frequency f _P corresponds to a so-called lock-in period within which 1 / f _w images are recorded by the image recording device ( 6 ), and that for a measurement process for examination of heat sources in the sample ( 3 ) is averaged over a number of lock-in periods.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the time-modulated with the modulation frequency f _P electrical voltage is a square wave voltage and is applied to the sample ( 3 ).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the energy flow is electromagnetic radiation, preferably UV light is used.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the energy flow with time constant intensity acts on the sample surface.

7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that f _P and f _{w are} chosen such that the following applies:
f _P ≦ f _w .

8. The method according to claim 7, characterized in that the following applies:
f _P = f _w / 4,
and that the evaluation unit ( 7 ) evaluates the images recorded by the image recording device ( 6 ) by means of a 4-point correlation.

9. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the intensity of the energy flow acting on the sample surface is applied with a modulation frequency f _mod .

10. The method according to claim 9, characterized in that the following applies: f _mod not equal to f _P.

11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that: f _mod = f _P + f _w / 4

12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the phase coupling based on the lock-in principle between the image recording device ( 6 ) and f _{P takes place} on the basis of the difference frequency from f _P and f _mod .

13. The method according to claim 9, characterized in that the following applies: f _{mod is} equal to f _P , f _mod and f _{P have} a phase relationship ϕ to one another, and that between two images recorded by the image recording device in immediate succession ϕ increases by 90 ° in each case.

14. The method according to claim 13, characterized in that ϕ takes the following values: 0 °, 90 °, 180 ° and 360 °.

15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the fluorescent agent has a relaxation time which is small compared to the reciprocal of f _P.

16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that an electronic component is used as the sample ( 3 ), the electrical conductor structures and / or contact points are checked with regard to their electrical conductivities with regard to their functional behavior.

17. The method according to claim 16, characterized in that the electronic component with the component typical electrical operating and control voltages is applied, by the the component is heated and influenced by the heating Fluorescence radiation is recorded and evaluated.

18. Device for examining heat sources within an electrically conductive material-containing sample ( 3 ) which can be subjected to an electrical voltage for the purpose of heat development and which is exposed to at least one sample surface with a fluorescent agent whose fluorescence property is temperature-dependent
an illuminating means ( 4 ) which exposes the sample surface thus prepared to an energy flow which energetically excites the fluorescent means,
an image recording device ( 6 ) for recording images of the fluorescent radiation emerging from the prepared sample surface and
an evaluation unit ( 7 ) for evaluating the images recorded by the image recording device according to the lock-in principle,
A frequency generator ( 1 ) is provided, which generates the electrical voltage with a predeterminable modulation frequency f _P and in a number of predeterminable phase positions ϕ, and a multiplexer for selecting the modulated electrical voltage with a specific phase position, which is applied to the sample ( 3 ).

19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the lighting means ( 4 ) is connected to the frequency generator for modulating the energy flow with the phase position ϕ = 0 °.

20. The apparatus according to claim 18 or 19, characterized in that the lighting means ( 4 ) is a UV lighting unit.

21. Device according to one of claims 18 to 20, characterized in that the image recording device ( 6 ) is a CCD camera, which is preceded by a microscope.