KR20130087487A - 3-차원 핫 스팟 위치추정 - Google Patents

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KR20130087487A
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프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우
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Abstract

락-인 서모그래피 (LIT) 를 이용하여 전자 디바이스 아키텍쳐들에서 매립된 핫 스팟들의 3D 위치추정을 위한 비파괴 처리법. 3D 분석은 상이한 재료층들을 통한 열 파동 전파의 원리들 및 결과적으로 초래된 위상 편이/열적 시간 지연에 기초한다. 좀더 복잡한 다중 레벨 적층 다이 아키텍쳐들로, 정확한 핫 스팟 깊이 위치추정을 위해 상이한 여기 주파수들에서의 다중 LIT 결과을 획득할 필요가 있다. 또한, 핫 스팟 위치의 상부에서의 최소화된 시계로 측정된, 다중 시간-분해 열 파형들의 이용은, 데이터 획득의 속도를 올리는데 이용될 수 있다. 검출 정확도와 신뢰 레벨을 더 증가시키기 위해 결과적으로 초래된 파형들의 형상이 분석될 수 있다.

Description

3-차원 핫 스팟 위치추정{THREE-DIMENSIONAL HOT SPOT LOCALIZATION}
본 출원은 2010년 6월 8일에 출원된 미국 가출원 제 61/352,738 호의 우선권을 주장하며, 그 전체 개시물이 참조로서 여기에 포함된다.
본 발명은 전자 디바이스들의 내부에 매립된 저항 열원 (resistive heat source) (핫 스팟) 들의 위치추정 분야에 있다. 설명된 발명을 이용하여, 락-인 확대 열 촬상을 이용해 결함-커버층들을 통한 열의 열기 전파를 분석함으로써 모두 3 차원들로 핫 스팟들의 지점들의 위치가 결정되고 위치가 나타내어질 수 있다. 본 발명은 특히 시스템 인 패키지 디바이스 (SiP) 들 내의 집적회로들 및 상호연결층들의 수직 스택 안의 열 활성화 구조들 또는 결함들의 비파괴 3D 위치추정을 할 수 있게 한다.
3-차원 아키텍쳐를 갖는 현대의 복잡한 시스템 인 패키지 디바이스들의 불량 분석은 커지고 있는 난제이다. 그러한 디바이스들에서, 여러 집적 회로 다이들은 수직으로 적층되어 와이어 본드 (wire bond) 또는 관통 실리콘 비아 (TSV: through silicon via) 기술들에 의해 상호연결된다. 내부 전자 구조들 또는 상호연결들로의 접근 및 내부 전자 구조들 또는 상호연결들의 분석은 자기 현미경검사 (magnetic microscopy), 신호 추적에 이용될 수 있는 시간 영역 반사측정 (time domain reflectometry) 과 같은 비파괴 기술들로 제한된다. 두 방법들은 모두 분해능이 제한되고, 전기적 결함들의 3 차원 위치결정이 매우 제한되고 광범위하다. OBIRCH 또는 방사 현미경검사 (Emission Microscopy) 와 같은 표준 불량 위치추정 방법들은 3D 아키텍쳐 내의 매립된 전자 구조들로의 광학적 접근이 불투명 재료층들에 의해 제한되므로 대부분 적용될 수 없다. 이는, 열 활성화 구조들 및 결함들이 더 깊숙한 다이들, 또는 불투명 다이 접착, 재배선 (redistribution), 또는 밀봉 (encapsulation) 층들에 의해 커버된 상호연결층들에 매립될 수 있기 때문에, 3D 시스템 인 패키지 디바이스들의 경우에 극히 중요하다. 결함들의 위치를 추정하기 위해 별도의 불량 분석을 위한 개개의 다이들의 분리가 하나의 선택안이 될 수도 있으나, 이 프로세스는 매우 시간을 많이 소비하고 추가적인 준비-관련 결함들의 생성이라는 높은 위험을 가져올 수 있어, 불량 분석 성공률을 상당히 감소시킨다.
전기적으로 자극될 수 있는 열 결함들에 대한 현재의 위치추정 기술들은 다음을 포함한다:
락 인 서모그래피 ( LIT : Lock In Thermography )
LIT 는 픽셀-와이즈 (pixel-wise) 2 채널 락 인 상관과 조합되는 IR 감응 카메라를 이용하여, 직열 촬상 (direct thermal imaging) 에 의해 샘플에 걸쳐 매우 작은 온도 변화들을 검출하는 비파괴 기술을 말한다. LIT 는 x 및 y 좌표에서 열 활성화 구조들 및 결함들의 위치를 결정하기 위해 ㎛ 공간 분해능 및 μK 감도를 제공하지만, 현재까지 깊이 위치추정을 할 수 있게 하지는 않는다.
동질의 열 속성들을 갖는 재료층 내의 또는 아래의 핫 스팟들의 깊이
주어진 열 동질 재료에 있어서, 표면 아래의 열원의 깊이와 열이 표면에 도달하는데 걸리는 시간 사이에 대체로 선형 종속성이 있다. 이 열 시간 지연은 위상 신호에 비례하고 2 채널 락-인 서모그래피로 측정될 수 있는데, 2 채널 락-인 서모그래피는 표면까지의 열원 거리, 따라서, 재료층 내의 또는 아래의 열원의 깊이의 재계산을 가능하게 한다.
열 스코프 ( thermal scope )
종래의 시간-분해 온도 측정은 마이크로세컨드 (㎲) 및 밀리-켈빈 (milli-Kelvin) (mK) 의 정확도로 샘플의 열 응답을 검출/디스플레이하는 것을 가능하게 한다.
열 펄스 흡수 분석
표면 (뒷면 또는 앞면) 상으로의 펄싱 열 및 시간-분해 방식으로 온도 분포/확산 측정에 기초. 펄스 위상 서모그래피는 서브-표면 박리들, 재료 불순물들, 보이드 (void) 들, 등을 검출할 수 있다. 이는 약한 용접 이음매들에 대한 무접촉 검출에 이용될 수 있다 (예를 들어, 독일의 Thermosensorik 참조). LIT 와 비교하여, 열 펄스 흡수는 덜 민감하고 더 낮은 공간 분해능을 제공한다.
본 발명의 몇몇 양상들 및 특징들에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 다음의 본 개시물의 요약이 포함된다. 이 요약은 본 발명의 광범위한 개관이 아니고, 그로서, 특히 본 발명의 핵심적이거나 중요한 요소들을 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하려는 의도는 아니다. 이 요약의 유일한 목적은 하기에서 제시되는 좀더 상세한 설명에 대한 서론으로서, 간소화한 형태로 본 발명의 몇몇 개념들을 제시하는 것이다.
락-인 서모그래피 (LIT) 를 이용하여 비-파괴 방식으로 열원들의 위치를 추정하기 위한 새로운 접근법이 개시된다. LIT 방법은 매우 민감하며 핫 스팟 검출을 다루기 쉽고, 다이 및 패키징 레벨 결함들의 위치추정에 적용될 수 있다. 매립된 열원들의 양적 LIT 분석 및 3 차원 할당을 위해, 열 파동 전파, 열 의존성, 및 핫 스팟 영역 위의 재료층의 기하학적 속성들의 기본 원리들이 이해되어야 한다.
본 발명의 양상들은 락-인 서모그래피에 의한 위상 및 시간-분해 열 응답 측정들에 기초하여 매립된 핫 스팟 (hot spot) 들의 3-차원 할당을 제공한다. 적층 안의 열 활성화 (active) 구조에서 발생되고 디바이스의 표면 상에서 검출된 열의 비-파괴 측정들에 의하여, 많은 적층된 층들 중에 전기적 신호를 인가하여 자극될 수 있는, 하나 또는 다수의 열 활성화 구조들을 구별하기 위한 방법이 개시된다.
(x 및 y 에서의 핫 스팟들의 빠른 위치추정을 위한) 락-인 서모그래피의 (z 방향에서의 핫 스팟들의 위치추정을 위해) 상이한 여기 (excitation) 주파수들에서의 시간-분해 열 응답 (time-resolved thermal response) 측정들과의 조합은 열적 활성화 구조의 빠르고 확실한 검출을 가능하게 한다.
풀 패키징된 전자 디바이스들 안의 x 및 y 에서의 열의 열원들의 비-파괴 위치추정뿐만 아니라, 본 발명의 실시형태들은 인가된 여기 주파수 (락-인 주파수) 의 기능으로, (락-인 서모그래피의 경우에) 위상 편이 (phase shift) 들 및/또는 (시간-분해 열 응답 측정들의 경우에) 열 시간 지연들을 측정하고 분석하여 (풀 레이어 적층을 포함하는) 밀봉을 통해 결함층 (다이) 의 위치를 추정하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 실시형태들이 여기에서 밀봉된 (encapsulated) 집적 회로들에 대해 설명되었으나, 본 발명은 또한 배터리들, 태양 전지들, 전력 디바이이스들, LED들, 등과 같이 전기적 자극에 의해 핫 스팟들을 발생시키는 다른 디바이스들을 테스트하기 위해 구현될 수 있다. 그러므로, 용어 DUT 는 이러한 디바이스들에도 적용가능할 수도 있다. 본 발명의 실시형태들에 따르면, 테스트 시스템에 샘플을 배치하는 단계; 다수의 상이한 락-인 주파수들에서 샘플에 테스트 신호들을 인가하는 단계; 테스트 신호들이 샘플들에 인가되는 동안, 적외선 센서를 이용하여 샘플을 촬상하는 단계; 촬상으로부터 샘플의 표면 상의 측방 (lateral) 온도 분포를 검출하는 단계; 테스트 신호들과 샘플 내의 열의 열기 전파에 상관되는 촬상으로부터 얻은 열 응답 사이에서 결과적으로 초래된 위상 편이를 검출하여 분석하는 단계; 측방 온도 분포를 분석함으로써 열원들의 측방 위치를 얻는 단계; 및 각각의 열원 지점에서의 위상 편이를 분석함으로써 샘플 내의 열원의 깊이 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 락-인 서모그래피를 이용하여 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 그 방법은 다양한 락-인 주파수들에서의 위상 편이를 플로팅 (plotting) 하고, 깊이 분해능 및 측정 신뢰성을 향상시키기 위해 양적 위상 값들뿐만 아니라 플로팅된 위상 대 주파수 곡선의 경사도를 분석하는 단계를 더 포함한다. 그 분석은 열 파동 전파의 분석법으로 주파수 거동 (behavior) 에 대한 깊이 관련 위상 편이를 계산하는 단계; 및 열원의 깊이를 식별하기 위해 계산된 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 검출된 위상 편이와 상관시키는 단계를 포함할 수도 있다. 또한, 그 분석은 열 파동 전파의 유한 요소 모델링으로 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 계산하는 단계; 및 열원의 깊이를 식별하기 위해 검출된 위상 편이에 계산된 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 상관시키는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시형태들에 따르면, 테스트 시스템에 샘플을 배치하는 단계; 샘플에 테스트 신호들을 인가하는 단계; 테스트 신호들이 샘플에 인가되는 동안, 적외선 센서를 이용하여 샘플을 촬상하는 단계; 촬상으로부터 샘플 표면 상의 측방 온도 분포를 검출하여 측방 온도 분포를 분석함으로써 열원들의 측방 위치를 얻는 단계를 포함하며, 테스트 신호들은 다수의 상이한 락-인 주파수들에서 인가되고; 나아가, 테스트 신호들과 샘플 내의 열의 열기 전파에 상관되는 촬상으로부터 얻은 열 응답 사이의 결과적으로 초래된 위상 편이를 검출하여 분석하고; 각각의 열원 지점에서의 위상 편이를 분석함으로써 샘플 내의 열원의 깊이 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는, 락-인 서모그래피를 이용하여 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 그 방법은 다양한 락-인 주파수들에서의 위상 편이를 플로팅하고, 깊이 분해능 및 측정 신뢰성을 향상시키기 위해 양적 위상 값들뿐만 아니라 플로팅된 위상 대 주파수 곡선의 경사도를 분석하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시형태들에 따르면, 테스트 시스템에 테스트 대상 디바이스 (DUT: device under test) 를 배치하는 단계; 시간이 지남에 따라 테스트 신호의 락-인 주파수를 가변시키면서, DUT 에 가변 락-인 주파수의 전기적 신호를 인가하는 단계; 테스트 신호가 DUT 에 인가되는 동안, 적외선 카메라를 이용하여 DUT 를 촬상하는 단계; 가변 락-인 주파수에서의 시간-분해 열 파형들을 검출하기 위해 열 촬상을 이용하고, 모니터 상에 시간-분해 열 파형을 디스플레이하는 단계; 및 전기적 신호와 관련된 열 파형 사이의 위상 편이를 결정하기 위해 상관 함수를 이용하여 시간-분해 열 파형을 분석하는 단계를 포함하는, 락-인-서모그래피 (LIT) 시스템을 이용하여 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 실시형태들에 따르면, 더 빠른 신호 획득을 위해 윈도윙 개념을 적용하는 락-인 서모그래피를 이용하여, 샘플 내에 매립된 전기적 활성화 열원의 위치를 검출하기 위한 방법이 제공되는데, 그 방법은 샘플에 전기적 여기 신호를 인가하는 단계; 테스트 신호가 샘플에 인가되는 동안, 적외선 카메라를 이용하여 샘플을 촬상하는 단계; 샘플의 표면 상의 측방의 온도 분포를 검출함으로써 열-원의 측방의 위치를 결정하는 단계; 프레임-레이트라고 불리는 증가된 카메라 획득 속도를 얻기 위해, 일반적으로 서브-어레이 또는 윈도윙이라고 불리는 동작인, 오직 열-원들이 위치된 영역만을 촬상하기 위해 IR 카메라의 동작 영역을 감소시키는 단계로, 여기서 IR 카메라의 동작 영역을 감소시키는 단계는 오직 카메라의 픽셀들의 서브셋으로부터의 데이터만을 판독함으로써 행해질 수도 있는, IR 카메라의 동작 영역을 줄이는 단계; 이어서, 다수의 상이한 락-인 주파수들에서 샘플에 전기적 여기 신호를 인가하는 단계; 테스트 신호들이 샘플에 인가되는 동안, 윈도윙 IR 카메라를 이용하여 샘플을 촬상하는 단계; 샘플의 표면 상의 측방 온도 분포를 검출하는 단계; 전기적 여기 신호와 샘플 내의 열의 열기 전파에 상관되는 열 응답 사이의 결과적으로 초래된 위상 편이를 검출하여 분석하는 단계; 및 결과적으로 초래된 위상 편이를 분석함으로써 전기적 활성화 열원의 깊이 위치를 얻는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태들에 따르면, 그 방법은, 예를 들어, 그러나 오직 이것만은 아닌, 사인, 코사인, 제곱, 샤크-핀 (shark-fin), 지수 (exponential) 충전/방전 곡선 등과 같은 미리 정의된 파형들에 대한 자기-상관 (auto-correlation) 또는 교차-상관 (cross-correlation) 을 이용하여, 시간-분해 열 파형의 형상을 양적으로 분석하기 위해 하나 또는 다수의 상관 함수들을 이용하는 단계, 및 결과적으로 초래된 상관 인자들 대 락-인 주파수의 매트릭스를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 양상들에 따르면, 테스트 시스템에 DUT 를 배치하는 단계; 시간이 지남에 따라 테스트 신호의 주파수 (ft) 를 가변시키면서, DUT 에 가변 주파수 (ft) 의 테스트 신호를 인가하는 단계; 테스트 신호가 DUT 에 인가되는 동안, 적외선 카메라를 이용하여 DUT 를 촬상하는 단계; 테스트 신호 주파수 (ft) 로부터 DUT 의 적외선 이미지의 위상 편이를 결정하는 단계; 및 위상 편이를 DUT 안의 깊이 측정과 상관시키는 단계를 포함하는, 테스트 대상 디바이스 (DUT) 안의 결함들의 위치를 추정하기 위한 방법이 제공된다. DUT 를 촬상하는 단계는 주파수 (ft) 보다 높은 프레임 레이트 (fc) 로 적외선 카메라를 동작시켜 행해질 수도 있다. 주파수 (fc) 는 주파수 (ft) 의 적어도 4 배일 수도 있다. 그 방법은 다양한 주파수들 (ft) 에서의 시간-분해 위상 편이를 플로팅하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 양상들에 따르면, 테스트 시스템에 밀봉된 IC 를 배치하는 단계; 밀봉된 IC 에 선택된 주파수 (f0) 의 제 1 테스트 신호를 인가하는 단계; 제 1 테스트 신호가 IC 에 인가되는 동안, IC 의 IR 이미지를 얻는 단계; IR 이미지로부터 관심 영역을 선택하는 단계; 적외선 카메라의 시계 (field of view) 를 감소시키는 단계; 시간이 지남에 따라 테스트 신호들의 주파수 (ft) 를 가변시키면서, 밀봉된 IC 에 가변 주파수 (ft) 의 한 셋트의 테스트 신호들을 인가하는 단계; 테스트 신호들이 IC 에 인가되는 동안, 감소된 시계를 갖는 적외선 카메라를 이용하여 IC 를 촬상하는 단계; 시간-분해 열 파형을 발생시키기 위해 촬상을 이용하는 단계; 및 IC 내의 결함 깊이를 결정하기 위해 파형을 이용하는 단계를 포함하는, 밀봉 집적 회로 (IC) 안의 결함들의 위치를 추정하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양상들 및 특징들은 다음의 도면들을 참조하여 이루어지는 상세한 설명으로부터 자명할 것이다. 상세한 설명 및 도면들은 본 발명의 다양한 실시형태들의 다양한 제한 없는 예시들을 제공하며, 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해 정의된다는 것이 언급되어야 할 것이다.
도 1 은 기본 LIT 상관 신호들 (실수부 및 허수부), 및 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하며, 그 결과, 디바이스 표면까지 증가하는 결함 지점의 거리에 대해 결과적으로 초래된 진폭 벡터 및 위상 편이를 보여주는 복소 벡터 도해이다.
도 2 는 재료들, 실리콘 및 몰드 화합물에 대해 인가된 락-인 주파수의 함수로서 열 확산 길이의 플롯이다.
도 3 은 1 밀리미터 실리콘 및 몰드 화합물 재료층 아래의 추정된 결함에서 기인하는, 인가된 락-인 주파수 함수로서 결과적으로 초래된 위상 편이의 플롯이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시스템의 도해이다.
도 5 는 회로 편집에 기초해 집속 이온빔 (focused ion beam) 을 이용하여 위치된 결함의 생성을 보여주는 이미지이다.
도 6 은 도 5 에 도시된 샘플들의 인공적으로 발생된 결함 (기준 열원) 에 의해 발생된 열을 보여주는, 지형 이미지 위에 오버레잉된 열 강도 (진폭) 의 이미지이다.
도 7 은 하나의 테스트 대상 디바이스의 간소화된 도면이다.
도 8 은 인가된 락-인 주파수와 관련된 실험적 위상 편이 및 이론적 위상 편이의 플롯이다.
도 9a - 도 9d 는 실험 설정의 도면들이다.
도 10 은 상이한 개수의 다이들을 갖는 검사된 적층된 디바이스 (도 9a - 도 9d 에 도시된 바와 같은 DUT) 의 실험적 결과들의 플롯이다.
도 11a 는 지형과 락-인 진폭 이미지의 오버레이에 대한 LIT 결과들이고, 한편 도 11b 는 위상 결과들이다.
도 12 는 상이한 락-인 주파수들에 대해, 카메라의 풀 프레임 모드 (프레임 레이트 = 100 Hz) 에서, 모두, Vlockin = 1.2 V, 획득 시간 = 40 sec 로 측정된; (열 파형들과 유사한) 시간-분해 열 응답의 플롯이다.
도 13 은 카메라의 상이한 서브 프레임 모드들 (더 높은 프레임 레이트를 갖는 윈도윙) 에서, 모두, flockin = 1 Hz, Vlockin = 1.2 V, 획득 시간 = 40 sec 로 측정된; (열 파형들과 유사한) 시간-분해 열 응답의 플롯이다.
도 14 는 가장 높은 교차-상관의 지연 포인트에서 여기/락-인 전압과 사인 함수의 오버레이를 갖는, flockin = 1 Hz, Vlockin = 1.2 V, 획득 시간 = 40 sec, 풀 프레임 모드 (100 Hz) 로 측정된, 시간-분해 열 응답의 플롯이다. 교차-상관 결과는 증가된 정확도로 위상 편이 (Δφsin) 를 결정하는데 이용될 수 있다.
도 15 는 교차-상관에 이용된 상이한 전위 함수들과 비교하여, 락-인 전압에 겹쳐 놓여진 0.2 Hz 로 측정된 (도 12 참조) 시간-분해 열 응답을 도시한다. 도시된 것은 사인 - 지수 충전 및 방전 - 및 제곱-함수이며, 모두 상이한 Δφ 및 교차-상관 값들을 야기한다.
전자 디바이스들, 예를 들어, 시스템 인 패키지 (SiP: system in package) 들의 3 차원 아키텍쳐들은 수직으로 적층되고 함께 밀봉된 여러 개의 집적 회로 다이들, 다이 접착들, 또는 상호연결 재배선층들로 구성된다. 결과적으로, 그러한 밀봉된 전자 디바이스들은 실리콘, 고분자 및 실리콘-산화물 절연체들, 금속 배선들 및 와이어들, 글루 (glue) 및/또는 접착제들, 밀봉 몰드, 등이 들어 있는 동질 재료의 적층들이다. 그러므로, 핫 스팟 지점으로부터 시작하는 내부의 열 전파는 매우 복잡할 수 있다. 결과적으로, z 방향에서의 핫 스팟 결함의 위치, 즉, 샘플 내에서 핫 스팟 결함의 깊이를 찾는 것은 어렵다. 또한, 복잡한 결함들 또는 샘플 타입들은 핫 스팟 위치에서의 전력 변환의 면에서 비-이상적인 핫 스팟 활성화를 야기할 수도 있다. 여기에서 개시된 다양한 실시형태들은 그러한 디바이스들에서 열원들 (예를 들어, 열적 활성화 구조들 또는 결함들) 의 정확한 위치추정을 할 수 있게 한다.
본 발명의 다양한 실시형태들은 디바이스 여기를 위해 정의된 다수의 주파수들 (주로, 그러나 오직 이것만은 아닌, 50% 듀티 사이클 (duty cycle) 을 갖는 구형파 (square wave) 전압 신호들) 을 이용한다. 여기와 열 응답 대 주파수 곡선 사이의 결과적으로 초래된 위상 편이의 분석은 모의실험 데이터 및/또는 사전-보정 데이터와의 비교를 포함하여, 필요한 핫 스팟 깊이 계산 정확도를 가능하게 한다. (열 스코프의 디스플레이와 유사한) 시간-분해 열 응답 측정들은 크게 감소된 분석 시간으로 더 좋은 정확도를 위해 전체 열 파형을 분석하는데 이용된다.
본 발명의 실시형태들은 자동화된 데이터 분석 및 반-자동화된 데이터 분석을 위해 전기적 자극과 열 응답 사이의 위상 편이/시간 지연, 및 측정된 파형의 형상에 대한 양적 측정들을 이용한다. 파형 형상 분석은, 단지 적용된 락-인 당 단일 위상 값들 대신에 상관 매트릭스를 산출하는, 측정된 값들과 미리-정의된 함수들 (예를 들어, 사인, 코사인, 샤크-핀, 삼각, 제곱) 사이의 교차-상관에 기초할 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 락-인 주파수 스캐닝이 더 많은 포인트들의 측정을 제공하고 개개의 절대 위상 값들뿐만 아니라 위상 대 주파수 곡선의 형상/경사도 분석을 가능하게 하는 것과 같은 이점들을 제공한다. 이는 증가된 검출 정확도로 잘-정의된 위상 편이/시간 지연 측정을 제공하고, 여전히 비-이상적 핫 스팟 활성화로 3D 위치추정을 가능하게 하는데, 여기서 단일 위상 측정은 잘못된 결과들을 산출할 것이다. 또한, 시간 분해 열 응답 측정들은 10 배 이상, 잠재적으로, 100 배까지 분석된 주파수당 필요한 획득 시간을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 얻어진 전체 파형은 열 시간 지연 및 파형 형상의 양적 분석에 기초하여, 더 향상된 깊이 측정 정확도를 가능하게 한다. 이러한 향상들은 현재 및 미래의 다층 전자 디바이스들, 즉, 3D 시스템 인 패키지 기술들에서 단일 층들을 분해하는데 필요할 것으로 예상된다. 열의 열기 전파의 양적 분석은 핫 스팟들의 (반) 자동화된 3D 할당을 가능하게 한다.
안정-상태 (steady-state) 서모그래피와 대조적인 LIT 의 주요 이점은 아래로 몇 ㎛ 까지의 더 높은 공간 분해능과 조합된 아래로 몇 μW 까지의 훨씬 더 높은 감도이다. 이러한 파라미터들을 얻기 위해, 테스트 대상 디바이스는 선택된 주파수 (락-인 주파수) 에 의해 공급 전압으로 주기적으로 자극된다. 디바이스 표면에 결과적으로 초래된 열 응답은 IR 카메라에 의해 검출되고, 2 개의 상관 함수들을 이용하여 여기 신호와 관련된 동-위상-부분 (in-phase-part) (S0°) 과 이-위상-부분 (out-of phase-part) (S90°) 으로 나뉜다. 이 프로세스는 핫 스팟 깊이 위치추정에 대한 필요한 정보가 들어 있는 진폭 (amplitude) 및 위상 신호의 계산을 가능하게 한다.
Figure pct00001
기본 신호들 (S0°, S90°) 및 결과적으로 초래된 진폭과 위상 정보 사이의 관계를 더 잘 이해하기 위해, 도 1 에 도시된 바와 같이, 0 ° 및 90 ° 신호들이 복소 벡터 도해로 플로팅된다. 양 부분들 모두의 결과적으로 초래된 벡터는 0 °와 결과적으로 초래된 진폭 벡터 사이의 각도가 위상 φ 로 표현되는 진폭 A (도 1 에서 포인트 "S" 로 이어지는 화살표) 를 표현한다. 위상 값은 여기 신호와 측정된 열 응답 사이의 시간 지연으로 이해될 수 있다.
일반적으로, 검출된 IR 파장들 (일반적으로, 그러나 오직 이것만은 아닌, 3-5 ㎛) 을 투과하지 않으나, 열 파동들은 이 재료를 통해 전파할 수 있는 핫 스팟 영역 위의 재료를 갖는 디바이스들에 테스트가 수행되기 때문에, LIT 에 의해 측정될 수 있는, 핫 스팟 위의 디바이스 표면에 주기적으로 증가된 온도를 야기한다. 기본 열 확산 프로세스의 시간 상수는 여기 신호와 열 응답 사이의 위상 편이를 결정한다. 열 지연에 대한 주요 요인들은 몰드 화합물, 다이 접착 글루들, 고분자 및 Si 산화물 절연체들과 같이 더 적은 열 전도성을 갖는 재료층들이지, 훨씬 높은 열 전도성을 갖는 Si 다이들이나 금속층들이 아니다. 간단히 말해, 핫 스팟과 디바이스 표면 사이의 거리가 길수록, 결과적으로 초래된 위상 편이는 더 높다. 반대로, 핫 스팟 위의 재료의 열 속성들을 아는 것은 위상 편이 측정에 의한 핫 스팟들의 알려지지 않은 깊이의 결정을 가능하게 한다.
여기에서, 재료층의 열 속성들의 영향을 설명하는 파라미터는 대량 (bulk) 재료 안의 열 파동의 감쇠 (damping) 를 설명하는 열 확산 길이 (μ) 로 불린다. 그 길이는 열 파동의 진폭이 아래로 e- 1 까지 떨어지는 특성 길이로 정의된다. 그 길이는, 방정식 3 에서 보여진 바와 같이, 열 파라미터들 열 전도성 (W/m*K 단위인 λ), 특정 열 용량 (J/g*K 단위인 cp), 밀도 (g/cm3 단위인 ρ), 및 인가된 락-인 주파수 (Hz 단위인 flock - in) 에 의해 계산될 수 있다. 열 파라미터들은 열 확산도 (mm2/s 단위인 a) 로 요약될 수 있다.
Figure pct00002
열 확산 길이 (mm 단위인 μ) 는 열 파동에 의해 전파된 각각의 재료에 대한 특성이다. 도 2 는 2 개의 예시들, 몰드 화합물 (실선) 및 실리콘 (파선 (dashed line)) 의 열 확산 길이를 도시한다. 몰드 화합물의 열 확산 길이는 실리콘과 비교하여 상당히 더 짧은 것을 볼 수 있다. 또한, 인가된 주파수가 낮을수록, 고체 재료 내로 전파하는 열 파동이 더 깊음을 도 2 로부터 알 수 있다. 결과적으로, 여기 신호의 주파수를 감소시키는 것은 심지어 IR-불투명 재료층들의 수백 개의 마이크론 (micron) 들을 관통할지라도 열원들의 위치추정을 가능하게 한다.
열 확산 길이는 열 파동에 대한 감쇠 인자로 볼 수 있기 때문에, 열 확산 길이는 진폭뿐만 아니라 결과적으로 초래된 위상에도 영향을 미친다. 더 높은 락-인 주파수는 핫 스팟 지점에서의 여기 신호와 디바이스 표면에서의 열 응답 사이의 더 큰 시간 지연을 야기한다. 그러므로, 증가된 락-인 주파수에 따른 위상 편이의 증가가 예상되어야 한다.
위상 (φ) 과 핫 스팟 깊이 (z) 사이의 관계는:
Figure pct00003
와 같이 설명되며, μ 는 열 확산 길이를 표현한다. 도 3 은 1 밀리미터 재료층 아래에 매립된 핫 스팟에 대해 인가된 락-인 주파수에 따른 결과적으로 초래된 위상 편이의 플롯이다. 실선은 몰드 화합물에 대한 그래프이고, 한편 파선은 실리콘에 대한 플롯이다.
일 실시형태에 따르면, 내부 열 전파 및 결과적으로 초래된 위상 편이에 대한 상이한 영향들의 분리에 대한 상세한 분석은 유한 요소 모델링 방법을 이용하여 검사된다. 그 모델링은 알려진 디바이스 빌드 업 (build up) 및 정의된 핫 스팟 지점들에 대해 락-인 프로세스를 모의실험하는데 이용된다. 3D 시스템-인-패키지 디바이스를 통한 열 전달은 2D/3-D 열 모델링을 이용하여 행해질 수 있다. 디바이스 안의 상이한 측방 및 수직 지점들에서의 상이한 열원들을 추정하여 다양한 락 인 주파수들에 대해 결과적으로 초래된 위상 편이들을 실험적 데이터와 상관시키는 것은 내부 핫 스팟 지점들의 식별을 할 수 있게 한다.
제 1 단계로서, 과도 응답을 고려하는 안정 상태법은 몇 사이클들 내에 안정적인 변조에 도달하기 위해 추정된 소모 전력의 절반을 이용하여 계산된다. 이 "유사-안정 상태" 에 도달한 후에, 샘플은 펄싱된 여기 신호로 자극된다. 락-인 주파수, 여기 주기들의 수, 및 중간 단계들의 수는 실제 기하학적인 구조들 및 열 파라미터들 (열 전도성, 열 용량, 및 밀도) 을 참조하여 선택된다. 소모 전력은 모델 접지에 인가되고 다양한 락 인 주파수들에 의해 펄싱된다. 또한, 시간 및 전력 소모 신호들의 별도의 파일들에 저장되어, 상관 함수들의 생성 및 여기 신호의 복원을 가능하게 한다. 2 개의 경로들이 생성되는데, 한 경로는 표면에 걸친 온도 변화를 판독하고, 한 경로는 샘플의 두께에 걸친 온도 변조를 판독한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시스템의 도해이다. DUT (400) 는 여기원 (405) 에 의해 발생된 주파수 (f0) 로 여기 신호 (430) 에 의해 자극된다. 일례에서, 여기 신호 (430) 는 DUT 의 동작 전압, 예를 들어, 1.2 V 와 같은 진폭 전압, 및 락-인 주파수 (f0) 를 갖는 구형파이다. 여기 신호의 주파수 (f0) 는 프로세서 (415) 의 주파수 선택기 부분 (420) 에 의해 설정되고 변화된다. 동기 신호 (435) 는 프로세서 (415) 로부터 출력되어 여기원 (405) 으로 보내진다. 가장 단순하게는, 비록 상이한 주파수일 수도 있으나, 여기원 (405) 이 주파수 (f0) 로 여기 신호 (430) 를 발생시킬 수 있도록 규정되는 한은, 동일한 주파수 (f0) 로 동기 신호 (435) 를 설정하는 것이다. IR 카메라 (410) 는 DUT (400) 의 선택된 영역의 IR 이미지들을 사진 찍는데 이용된다. 카메라 (410) 의 프레임 레이트는 보통, 그러나 오직 이것만은 아닌, 주파수 (f0) 보다 더 높게 설정된다. 여기서, 프레임 레이트는 주파수 (f0) 보다 적어도 4 배 더 높게 설정된다. 또한, 이 동작은 ATE 에 의해 처리될 수 있는데, 즉, ATE 는 DUT 로 구동 신호를 보내고, 동시에, 제어기 및 카메라로 트리거 (trigger) 신호를 보낸다.
도 4 의 설정으로, 선행 기술과 달리, DUT (400) 는 여기원 (405) 에 의해 되풀이하여 여기되고, 반면 여기 신호의 주파수 (f0) 는 주파수 선택기 (420) 에 의해 제공된 동기 신호 (435) 에 따라 변화된다. 이는 핫 스팟의 위치, 특히, 전자 디바이스 내에서 핫 스팟의 깊이 (즉, z 방향) 에 대한 더 좋고 더욱 정확한 식별을 할 수 있게 한다. 또한, 선행 기술과 달리, 도 4 의 설정은 단일 위상 데이터 포인트를 출력하지 않고, 대신 모니터 (425) 상에 전체 응답 곡선을 플로팅할 수 있게 한다. 전체 응답 곡선을 가지는 것은 DUT 내의 시간-분해 열 소모를 더 잘 이해하기 위해 곡선 맞춤 (curve fitting) 과 같은 추가적인 분석을 할 수 있게 한다. 특히, 이해될 수 있는 바와 같이, 디바이스의 밀봉해제 및 칩 뒷면을 얇게 할 것을 요구하는 OBIC, LVP, TREM, 등과 같은 표준 디버그 방법들과 달리, 도 4 의 설정으로, 칩을 밀봉해제하지 않으면서 테스트가 행해진다. 다음의 예시들로부터 이러한 특징들 및 다른 특징들이 이해될 수 있다.
예시 Ⅰ: 단일 칩 디바이스에서의 핫 스팟 깊이 결정
LIT 방법은 뒤따르는 물리적 불량 분석 단계들을 위해 더 좋은 정렬을 제공하는 풀 패키지 단일 칩 디바이스 안의 핫 스팟 지점을 비-파괴적으로 결정하는데 이용될 수 있다. 핫 스팟 깊이, 인가된 락-인 주파수, 및 결과적으로 초래된 위상 편이 사이의 관계는 정의된 포인트 열원들을 갖는 테스트 구조들을 이용하여 검사되었다. 테스트 구조들은 구리 배선들의 미앤더 (meander) 가 들어 있는 단일 칩 디바이스를 이용하여 제작되었다. 미앤더는 잘 정의된 국지적 열원들을 발생시키기 위해 도 5 의 상부에서 도시된 바와 같이, 집속 이온빔 기술 (FIB) 로 국지적으로 수정되었다. 국지적 고저항 영역의 생성 후에, 단일 칩 디바이스는 소모 전력 14 mW 로 국지적 열원을 생성하는 공급 전압 1.2 V 및 락-인 주파수 5 Hz 로 LIT 에 의해 측정되었다. 지형 이미지와 오버레잉된 결과적으로 초래된 진폭이 도 6 에 도시된다. 다음 단계로, FIB 로 만들어진 핫 스팟들과 디바이스 표면 사이에 재료층을 생성하기 위해 몰드 화합물로 디바이스가 밀봉되었다. 이 경우에, 핫 스팟들의 깊이는 디바이스 및 단일 칩의 치수로 알려졌고, 950 ㎛ 로 결정되었다.
도 7 은 검사된 풀 패키지 테스트 디바이스의 스케치를 도시한다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 듀얼 세라믹 인-라인 패키지 (DCIP: dual ceramic in-line package) 는 생성된 결함을 갖는 단일 칩을 지닌다. 칩의 상부 표면위로 950 ㎛ 의 두께로, 몰드 화합물이 칩 위에 채워진다.
이전 섹션에서 설명된 이론에 기초하여, 주파수 범위 0.1 Hz 에서 7 Hz 에 걸쳐 도 4 의 장치에 의해 DUT 가 검사되었고, 결과적으로 초래된 위상 편이가 측정되었다. 도 8 은 인가된 락-인 주파수와 결과적으로 초래된 위상 편이 사이의 검사된 관계를 도시한다. 측정된 데이터 포인트들이 이론적 곡선 위에 플로팅된다. 추세들이 락-인 주파수 범위 0.1 Hz 내지 3 Hz 에 대한 이론적 데이터와 매칭함을 확실히 알 수 있다. 5 Hz 및 7 Hz 의 경우에, 열 파동의 더 높은 감쇠로 인한 낮은 신호 대 잡음비로 설명될 수 있는 약간의 미스매치를 얻게 되었다. 이 영향은 검출기의 확률적 잡음 (stochastic noise) 이 측정 시간의 제곱근으로 줄어들기 때문에 더 긴 측정 시간에 의해 제거될 수 있다.
위상 편이와 락-인 주파수 사이의 관계는 이론적 데이터와 좋은 상관을 갖는 몰드 화합물 재료에 대해 실험적으로 결정되었다. 얻은 결과들은 풀 패키지 디바이스들 내의 열 활성화 구조들 또는 결함들의 3D 위치추정에 대한 락-인 서모그래피 검사들의 가능성을 증명한다.
그런데, 선행 기술에서는, 단일 락-인 주파수가 이용되었기 때문에, 테스트 결과들은 도 8 에 도시된 것들과 같은 단일 데이터 포인트로 제공되었다. 예를 들어, 만약 이용된 락-인 주파수가 2 Hz 라면, 그러면, 시스템의 출력은 단일 수, 즉, 177.50 가 될 것이다. 이 결과로부터, SiP 와 같은 복잡한 3D 구조들의 검사를 위해 필요한 정보인, 단일 영향들 (상관 오류, 기하학적 구조 영향들, 접촉 저항, 등) 은 분리될 수 없다.
내부 열 전파의 검사 및 결과적으로 초래된 위상 편이에 대한 상이한 영향들의 분리를 위해, 확인된 디바이스 빌드 업 및 추정된 결함 지점에 대해 락-인 프로세스를 모의실험하여, 유한 요소 모델링 방법이 이용될 수 있다. 제 1 단계로서, 과도 응답을 고려하는 안정 상태법은 몇 사이클들 내에 안정적인 변조에 도달하기 위해 추정된 소모 전력의 절반을 이용하여 계산된다. 이러한 "유사-안정 상태" 에 도달한 후에, 샘플은 펄싱된 여기 신호로 자극된다. 락-인 주파수, 여기 주기들의 수, 및 중간 단계들의 수는 실제 파라미터들을 참조하여 선택된다. 밀봉된 재료의 열 파라미터들 (열 전도성, 열 용량, 및 밀도) 이 고려되고, 소모 전력이 모델 접지에 인가되며 다양한 락 인 주파수들에 의해 펄싱된다. 또한, 시간 및 전력 소모 신호들은 별도의 파일들에 저장되어, 상관 함수들의 생성 및 여기 신호의 복원을 가능하게 한다. 2 개의 경로들이 생성되는데, 한 경로는 표면에 걸친 온도 변조를 판독하고, 한 경로는 샘플의 두께에 걸친 온도 변조를 판독한다.
예시 Ⅱ: 적층된 다이 디바이스들에서의 결함 깊이 결정
적층된 다이 집적 디바이스들, 예를 들어, 시스템-인-패키지 안의 3D 핫 스팟 위치추정을 위해, 제 2 영향 인자가 고려되어야 한다. 핫 스팟 지점에서 발생된 열 파동들은 각각 상이한 두께들을 갖는 상이한 재료층들, 예를 들어, 실리콘, 몰드 화합물, 다이 접착 테이프, 등을 통해 전파해야 한다. 그 결과, 결함이 있는 디바이스의 상이한 다이들에서의 축 측의 핫 스팟 지점에 따라, 디바이스 표면까지의 거리뿐만 아니라 열 확산 길이도 변경된다. 그러므로, 적층 안의 하부 다이들에서의 핫 스팟들에서 발생된 열 파동들은 디바이스 표면에 가까운 핫 스팟들에서 발생된 열 파동들과 비교하여 추가적인 재료층들을 통과해야 한다. 단일 칩 디바이스들과 관련한 이전 섹션에서와 마찬가지로, 이러한 거동은 상이한 핫 스팟 지점들에 대해 특정 주파수 범위에 걸친 이론적 위상 편이를 계산함으로써 핫 스팟 깊이를 결정하는데 이용될 수 있다. 단일 칩 디바이스들의 검사들과 달리, 핫 스팟이 재료 시스템의 이산 모델이 이용될 수 있는 환경을 야기하는 특정 다이들과 관련되는 것으로 가정한다. 그러므로, 적어도 제 1 순위로, 총 열 확산 길이는 각각의 재료층의 단일 열 확산 길이의 합계이다. 또한, 핫 스팟의 총 깊이 (ztotal) 는 단일 재료층들의 두께 (zn) 의 합계이다.
Figure pct00004
이러한 비교는 주어진 실험적 데이터와 이론적 데이터 사이에서 매칭하는 추정된 핫 스팟 깊이를 보여주는데, 이는 스택 안의 결함이 있는 다이를 식별한다. 그러나, 이는 간섭 영향들, 비-선형성, 등을 고려하지 않는다. 적층된 다이 레벨 상의 이러한 관계를 검사하기 위해, 추가적인 재료층들과 관련한 위상 편이 변경이 단계적으로 검사될 수 있는, 정의된 포인트 열원을 갖는 테스트 샘플이 필요하다. 이를 위해, 도 9a - 도 9d 에 도시된 바와 같이, 적층된 다이 테스트 디바이스가 제작되었다. 포인트 열원들은 도 9a 에 도시된 금속 미앤더 배선들을 갖는 단일 테스트 칩들의 FIB 변조에 의해 다시 발생된다. 결과적으로 초래된 소모 전력은 2.5 mW (0.5 V, 5 mA) 로 측정되었다.
적층된 다이 샘플들을 통한 열 전달의 유한 요소 모의실험에 있어서, 락-인 프로세스 모의실험은 2D/3-D 열 모델을 이용하는 더 복잡한 것이다. 이용된 적층 재료들 (실리콘, 적층된 다이 글루, 몰드 화합물, 구리) 및 이용된 적층 재료들의 열 파라미터들이 적용된다. 재료 적층 안의 상이한 측방 지점들 및 수직 지점들에서의 상이한 열원들을 추정하고 다양한 락 인 주파수들에 대해 결과적으로 초래된 이론적 위상 편이들을 실험적 데이터와 상관시키는 것은 결함 지점을 식별한다.
제 1 단계로서, 인가된 락-인 주파수와 관련된 위상 편이가 결정되었는데, 이는 디바이스 표면에 위치된 결함의 기준으로 이용될 수 있다. 다음 단계로서, 도 9b 에 도시된 바와 같이, 15 ㎛ 두께의 다이 부착 테이프를 이용하여 준비된 테스트 칩의 표면에 185 ㎛ 두께를 갖는 베어 (bare) 실리콘 다이가 부착되었다. 제 1 추정으로서, 다이 부착 테이프의 열 속성들은 몰드 화합물과 유사한 것으로 볼 수 있다. 그러므로, 추가적인 다이 부착층은 더 높은, 결과적으로 초래된 위상 편이의 원인이 된다. 베어 실리콘 칩은 위상 편이의 변경에 상당히 기여해서는 안되는데, 베어 실리콘 칩이 적외선 광에 대해 투광성이 있고 열 전도성이 더 높기 때문이다. 이 절차는 2 회 더 적용되어, 도 9c 및 도 9d 에 도시된 바와 같이, 최종적으로, 발생된 열원 구조 위에 3 개의 다이들을 갖는 적층된 다이 디바이스를 생성한다.
이 검사의 실험적 결과들은 도 10 에서 볼 수 있다. 또한, 실험적 위상 편이의 경사도를 이론적 위상 편이의 경사도와 비교하기 위해 제곱근 맞춤이 플로팅된다 (파선). 플로팅된 검정색 사각형들은 도 9a 에서와 같은 결함이 있는 다이만을 측정하기 위한 데이터 포인트들이다. 결함이 디바이스 표면에 위치해 있기 때문에, 위상 편이는 인가된 락-인 주파수에 독립적인데, 이는 이론으로 증명된다. 그러므로, 결함 깊이 (z) 는 0 인데, 이는 모든 인가된 락-인 주파수들에 걸쳐 위상 편이 0 °를 야기한다. 결함 영역 위에 다이를 부착하는 경우에, 플로팅된 마름모로 보여진 바와 같이, 락-인 주파수에 대한 위상 편이의 일반적인 의존성이 검출될 수 있다. 다이들 (원들로 플로팅된 다이 2 및 삼각형으로 플로팅된 다이 3) 의 부가적인 추가는 열 파동으로 투과되어야 하는 추가적인 재료 (다이 및 다이 부착 테이프 양자 모두) 로 인해 결과적으로 초래된 위상 편이의 계속되는 증가를 가져온다.
동일한 주파수에서 상이한 다이 수들에 대해 결과적으로 초래된 위상 편이들을 비교함으로써, 185 ㎛ 실리콘의 추가적인 다이층 및 15 ㎛ 다이 부착 테이프는 40 ° - 60 ° 사이에서 위상 편이 증가를 가져온다는 것을 알 수 있다. 다이 1+2 아래의 위상 편이의 실험적 결과들은 주파수 범위 0.1 내지 3 에 대한 이론적 위상 편이와의 좋은 매칭을 제공한다.
예시 Ⅲ: 시간-분해 열 응답
종래의 위상 대 주파수 방법의 한 가지 단점은 요구되는 긴 분석 시간이다. 충분한 SNR 로 전체 DUT 에 걸쳐 위상을 측정하는 것은 몇 분이 (두꺼운, 저-전력 샘플들에서 높은 락-인 주파수들에 대해서는 몇 시간까지) 걸릴 수도 있다. 도 11a 및 도 11b 는 획득 시간 = 15 분으로 flock - in = 1 Hz 및 Vlock-in = 1.2 V 로 측정된, 전형적인 락-인 결과들을 도시하며, 11a 는 x 및 y 에서의 그러한 결함의 위치추정을 위한 기본인 지형 이미지의 상부 상의 오버레이인 진폭 결과/이미지이다. 도 11b 는 픽셀당 국지적 열 지연을 표현하는 위상 결과들이다. 11a 로부터 열-원의 x, y 위치추정을 얻게 될 수 있기 때문에, 최종적인 3D 분석은 오직 목표로 하는 열-원의 바로 상부에서 측정된 위상 값만을 요구하는 열-원의 z-깊이의 결정으로 감소된다. 그러므로, 도 11b 에 도시된 바와 같이, 모든 요구된 락-인 주파수들에 대한 전체 시계를 측정하는 것은 프로세스를 연장하고 추가적인 이득을 제공하지 않는다. 그러므로, 본 발명의 실시형태들에 따르면, 카메라의 시계가 감소되어, 도 11a 및 도 11b 에서 정사각형들로 도시된 바와 같이, 오직 핫 스팟의 중심 주위의 작은 영역만이 측정된다. 예를 들어, 일 실시형태에 따르면, 시간-분해 열 응답 분석은 훨씬 증가된 카메라 동작 속도로, 매우 작은 윈도우 (예를 들어, 도 11a 에서 노란색 박스로 도시된 바와 같은 16 x 16 픽셀, 또는 심지어 단일 픽셀) 로 데이터를 획득하여 필요한 파형을 측정하는 것에 기초한다. 데이터 획득 동안, 시간-분해 열 파형 (그러한 파형의 예시들이 도 12 및 도 13 에 도시된다) 을 발생시키기 위해 여기 (락-인) 주파수에 동기하여, 소프트웨어는 실시간으로 오직 핫-스팟의 바로 중앙만을 커버하는 작은 윈도우 또는 서브셋 (심지어 더 작은 구역) 에 걸친 평균 값들을 계산할 수 있고, 데이터의 평균을 낸다.
SNR 이 평균 내어지는 전체 데이터 포인트들의 수에 기초하기 때문에, 이 프로세스는 실질적으로 획득 속도를 증가시킨다. 작은 윈도우에 걸쳐 평균을 계산함으로써, 포함된 픽셀들의 수만큼 (예를 들어, 8 x 8 = 64) 프레임 (캡쳐된 이미지) 당 SNR 이 증가될 수 있다. 또한, 카메라는 감소된 시계 (FOV) 로 더 빨리 수행하여, 5 내지 10 배 (예를 들어, 8 로 가정) 만큼 더 획득을 추가로 증가시킨다. 픽셀 당 오직 하나의 위상 값만이 저장되는 (평균 내어지는) 픽셀-와이즈 락-인과 비교하여, 시간-분해 파형의 복원은, 여기 (락-인) 주기에 대한 그 획득 시간과 관해, 입력 데이터를 별도로 평균낼 것을 요구한다. 사용된 여기 (락-인) 주기의 목표로 하는 시간 분해능 1/40th 을 가정하면, 획득된 데이터가 모든 시간 슬롯들에 걸쳐 균등하게 나눠져야 하기 때문에, 이는 SNR 시간-분해 데이터 포인트를 40x 로 감소시킬 것이다. 이용된 수들로 인해, 이는 약 12.8 의 전체 속도 증가를 야기할 것이다.
도 12 는 상이한 락-인 주파수들에 대해, 모두, Vlockin = 1.2 V, 획득 시간 = 40 sec 으로 측정된 시간-분해 파형 결과들을 풀 프레임 모드 (100Hz) 로 도시하며, 확실히 상이하게 형상된 파형들을 도시한다. 도 13 은 모두, Vlockin = 1.2 V, 획득 시간 = 40 sec 으로 측정된 시간-분해 파형 결과들을 도시한다. 이는 상이하게 크기를 갖는 픽셀 어레이들을 이용하여 측정되어, 훨씬 향상된 SNR 을 보이는 상부 플롯에 대해 2.61 배 더 높은 카메라 획득 프레임 레이트를 가능하게 한다. 특정 SNR 목표를 설정함에 있어서, 이는 필요한 획득 시간을 확실히 감소시키는 것을 가능하게 한다. 선행 기술의 단일 데이터-포인트 결과와는 달리, 시간-분해 파형을 이용하는 것은 디바이스 내의 열 전파에 대한 더 많은 정보를 제공한다. 즉, 시간이 지남에 따른 디바이스의 열 응답을 플로팅함으로써 시간 분해 파형을 얻게 된다. 이 측정은 상이한 락-인 주파수들에 대해 되풀이된다. 상이한 락-인 주파수들에서 얻은 시간-분해 파형의 형상은 열원의 깊이를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 예를 들어, 파형은 사인 함수, 소-투쓰 (saw-tooth) 함수, 샤크-핀 함수, 등과 같은 다양한 함수들과 교차-상관될 수 있다. 또한, 파형은 보정 데이터 또는 파형들의 라이브러리와 상관될 수 있다. 시간-분해 파형을 교차-상관시키는 것은 위상 편이뿐만 아니라 추가적인 깊이 정보를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 도 11a 에 도시된 바와 같이, 카메라의 픽셀 모두, 예를 들어, 센서, 예를 들어, InSb 검출기의 640 x 512 픽셀을 이용하여 초기 이미지가 촬영된다. 그 이미지는 모니터 (도 4 에서 425) 상에 투영되고, x 및 y 에서의 핫 스팟의 위치를 지정하기 위해 커서 (cursor) 가 이용자에게 제공된다. 또한, 선택적으로, 감소된 시계의 크기를 지정하는, 예를 들어 16 x 16 픽셀 FOV 를 선택하는 기능이 이용자에게 제공될 수도 있다. 이용자가 테스트 시퀀스를 초기화하면, 오직 지정된 시계로부터만 데이터가 수집된다. 예를 들어, 오직 16 x 16 픽셀에 상응하는 픽셀들만이 각각의 사이클에서 판독된다. 즉, 픽셀들 모두, 예를 들어 640 x 512 = 327680 픽셀을 판독하는 대신에, 오직 16 x 16 = 256 픽셀만이 각각의 사이클에서 판독된다. 카메라로부터 수집된 데이터의 양이 2 자릿수보다 더 많이 감소되기 때문에, 카메라가 측정 프로세스 중에 더 높은 프레임 레이트로 동작될 수 있으므로, 평균을 내는 프로세스를 위해 더 많은 데이터 포인트들을 제공한다. 다른 선택권으로, 단일 픽셀을 갖는 IR 센서가 이용될 수 있다.
감소된 시계 촬상을 구현하기 위한 다른 방식은 일반적으로 온-칩 비닝 (on-chip binning) 이라고 불리는 것에 의한 것이다. 온-칩 비닝이 작동되면, 이웃하는 픽셀들로부터의 데이터가 단일 데이터 포인트 안으로 수집된다. 예를 들어, 만약 2 x 2 비닝이 작동되면, 그 다음에, 단일 판독을 발생시키기 위해 4 개의 이웃하는 픽셀들의 값들이 더해진다. 이러한 방식에서, 비록 감소된 공간 분해능의 대가이기는 하나, 카메라는 더 빠른 판독 속도 및 향상된 신호 대 잡음비로 동작될 수 있다. 반면에, 핫스팟의 공간적 위치가 이미 결정되었기 때문에, 측정은 오직 깊이를 결정하는데만 이용되고 공간적 위치를 결정하는데는 이용되지 않으므로, 비닝 프로세스의 감소된 공간 분해능은 상관없다.
도 14 는 다른 시간-분해 열 응답 측정을 도시하며, 또한, 사인 함수와 열 파형 사이에서 가장 높은 교차-상관을 내놓는 지연에 대해 플로팅된, 이용된 락-인 전압 및 사인 함수를 도시한다. 교차-상관은 온도 신호 스윙 (swing) 의 50 % 로 측정하는 것과 비교하여 더 높은 정확도로 (락-인 전압의 상승 에지와 사인 함수의 0-포인트 사이에서 측정된) 열 시간 지연 (Δφsin) 을 측정하는 것을 가능하게 한다. 또한, (2 개의 상관된 함수들/곡선들이 얼마나 유사한지를 표시하는, 0 과 1 사이의 수; 0 = 비상관, 1 = 동일) 교차-상관 값이 제 2 결과로 이용될 수 있어, 검출 깊이 측정의 정확도 및 신뢰성을 증가시킨다.
교차-상관을 위해 다수의 미리 정의된 함수들을 이용하는 것은 수량화되고 재생할 수 있는 방식으로 열 파형의 형상을 분석하는 것을 가능하게 한다. 그 아이디어는 도 15 에 도시되는데, 여기서, 락-인 전압 및 3 개의 상이한 상관 함수들과 비교하여 비-사인형 형상을 갖는 열 파형이 도시된다. 모든 3 개의 상관 함수는, 사인 충전/방전 곡선 (녹색 파선) 및 지수 충전/방전 곡선 (지수; 빨간색 실선) 이 구형파와 비교하여 확실히 더 높은 교차-상관 값을 가질, 상이한 지연 값들을 산출할 것이다. 이 모든 값들 (결과들) 은 충분한 정확도로 검출 깊이 위치추정 (예를 들어, 패키지 안의 다이-적층 중에서 결함이 있는 층의 결정) 을 내놓기 위해 이론적으로 또는 실험적으로 도출된 기준 데이터와 비교하는데 이용될 수 있다.
상기로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시형태들은 핫 스팟들, 즉, 전기적 구조들에 의해 발생되거나 전자 디바이스들 안의 결함들의 양적이고 비 파과적인 3D 위치추정을 위해 락-인 서모그래피를 이용할 수 있게 한다. 인가된 락-인 주파수와 위상 편이 사이의 관계는 열 파동들의 물리적 원리들에 기초하여 결정되었다. 이는 핫 스팟이 알려지지 않은 두께의 단일 재료층 아래에 매립된 경우 및 적층된 다이 디바이스 안의 알려지지 않은 개수의 다이들 아래에 매립된 핫 스팟의 경우에 대해 행해졌다. 심지어 두꺼운 몰드 화합물층 아래에 매립된 핫 스팟들도 모두 3 차원으로 위치추정이 될 수 있음이 밝혀졌다.
또한, 시스템 인 패키지 아키텍쳐들의 상이한 다이층들이 상당한 위상 편이 차이들을 보이며 측정될 수 있어, 패키지에 걸쳐 결함이 있는 다이의 정확한 결정을 가능하게 한다. 복잡한 열 속성들을 갖는 적층된 다이들의 비-동질 재료 적층으로 인해, 상이한 락-인 주파수들에서의 다수의 LIT 결과들을 획득할 필요가 있게 된다. 핫 스팟 깊이 계산을 위해 이러한 결과들을 획득하여 분석하는 방법은 본 발명의 실시형태들에 의해 가능해진다.
또한, 본 발명의 실시형태들은 포인트 측정에 기초하여, 더 정확한 핫 스팟 깊이 분석을 위해 시간-분해 열 응답을 이용할 수 있게 한다. 이는 필요한 측정 시간을 상당히 줄이는 것을 가능하게 한다. 또한, 열 시간 지연뿐만 아니라 획득된 열 파형의 형상에 대한 더 상세한 데이터 분석을 할 수 있게 한다.
여기에서 설명된 프로세스들 및 기술들은 본질적으로 임의의 특정 장치와 관련되지 않고 임의의 적절한 구성요소들의 조합으로 구현될 수도 있음이 이해되어야 한다. 또한, 여기에서 설명된 사상들에 따라 다양한 타입의 범용 디바이스들이 이용될 수도 있다. 또한, 여기에서 설명된 방법 단계들을 수행하기 위해 전문화된 장치를 구성하는 것이 유리한 것으로 드러날 수도 있다.
본 발명은 제한하기보다는 모든 면에 있어서 예시적이고자 하는 특정 예들과 관련하여 설명되었다. 당업자들은 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어의 많은 상이한 조합들이 본 발명을 실시하는데 적합할 것임을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 다른 실시형태들은 여기에서 개시된 본 발명의 명세서 및 실시에 대한 고찰로부터 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명의 실제 범위 및 사상은 다음의 청구항들에 의해 나타내어지며, 명세서 및 예시들은 단지 예로서 여겨지고자 한다.

Claims (26)

  1. 락-인 서모그래피 (Lock-in Thermography) 를 이용하여 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법으로서,
    테스트 시스템에 상기 샘플을 배치하는 단계;
    다수의 상이한 락-인 주파수들에서 상기 샘플에 테스트 신호들을 인가하는 단계;
    상기 테스트 신호들이 상기 샘플에 인가되는 동안, 적외선 센서를 이용하여 상기 샘플을 촬상하는 단계;
    상기 촬상으로부터, 상기 샘플의 표면 상의 측방 (lateral) 온도 분포를 검출하는 단계;
    상기 테스트 신호들과 상기 샘플 내의 열의 열기 전파와 상관되는 상기 촬상으로부터 얻은 열 응답 사이에서 결과적으로 초래된 위상 편이를 검출하여 분석하는 단계;
    상기 측방 온도 분포를 분석함으로써 상기 열원들의 측방 위치를 얻는 단계; 및
    각각의 열원 지점에서의 상기 위상 편이를 분석함으로써 상기 샘플 내에서 상기 열원의 깊이 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다양한 락-인 주파수들에서의 상기 위상 편이를 플로팅함으로써, 위상 대 주파수 곡선을 얻는 단계를 더 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    깊이 위치결정을 향상시키기 위해 상기 위상 대 주파수 곡선의 경사도를 분석하는 단계를 더 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    열 파동 전파의 분석법으로 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 계산하는 단계; 및
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 상기 검출된 위상 편이와 상관시키는 단계를 더 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    열 파동 전파의 유한 요소 모델링으로 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 계산하는 단계;
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 상기 검출된 위상 편이와 상관시키는 단계를 더 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    오직 상기 적외선 센서로부터의 픽셀들의 서브셋으로부터의 데이터만을 판독함으로써 상기 샘플의 상기 표면 상의 시계 (field of view) 를 제한하는 단계를 더 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 시계를 제한하는 단계는 합계 데이터 포인트들을 발생시키기 위해 이 웃하는 픽셀들의 값들을 더하고, 오직 상기 합계 데이터 포인트들만을 판독하는 단계를 포함하는, 샘플 내에 매립된 열원들의 위치를 검출하기 위한 방법.
  8. 락-인-서모그래피 (LIT: lock-in-thermography) 시스템을 이용하여 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법으로서,
    테스트 시스템에 테스트 대상 디바이스 (DUT: device under test) 를 배치하는 단계;
    상기 DUT 에 테스트 신호를 인가하는 단계;
    상기 테스트 신호가 상기 DUT 에 인가되는 동안, 적외선 (IR) 카메라를 이용하여 상기 DUT 를 촬상하는 단계;
    상기 샘플의 표면 상의 측방 (lateral) 온도 분포를 검출함으로써 측방에서 상기 열-원을 위치결정하는 단계;
    감소된 시계 (field of view) 를 얻기 위해 상기 IR 카메라의 동작 영역을 감소시키는 단계;
    이어서, 다수의 상이한 락-인 주파수들에서 전기적 여기 신호들을 상기 DUT 에 인가하는 단계;
    상기 테스트 신호들이 상기 DUT 에 인가되는 동안, 상기 감소된 시계를 이용하여 상기 DUT 를 촬상하는 단계;
    상기 DUT 의 표면 상의 측방 온도 분포를 검출하는 단계;
    상기 전기적 여기 신호와 상기 DUT 내의 열의 열기 전파와 상관되는 열 응답 사이의 결과적으로 초래된 위상 편이를 검출하여 분석하는 단계; 및
    상기 결과적으로 초래된 위상 편이를 분석함으로써 전기적 활성 열원의 깊이 위치를 얻는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    다양한 락-인 주파수들에서의 상기 위상 편이를 플로팅하고 z-분해능 및 측정 신뢰성을 향상시키기 위해 양적 위상 값들뿐만 아니라 이 위상 대 주파수 곡선의 경사도를 분석하는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    열 파동 전파의 분석법으로 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 계산하는 단계; 및
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 측정된 위상 편이와 상관시키는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    열 파동 전파의 유한 요소 모델링으로 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 계산하는 단계; 및
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 측정된 위상 편이들과 상관시키는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 IR 카메라의 동작 영역을 감소시키는 단계는 합계 데이터 포인트들을 발생시키기 위해 이웃하는 픽셀들의 값들을 더하여, 오직 상기 합계 데이터 포인트들만을 판독하는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 테스트 신호를 인가하는 단계는 외부소스로부터 상기 테스트 신호를 얻어 상기 외부소스로부터의 상기 신호에 상기 IR 카메라를 동기화하는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 IR 카메라의 동작 영역을 감소시키는 단계는 단일 픽셀 IR 센서를 이용하는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 위치를 검출하는 방법.
  15. 락-인-서모그래피 (LIT: lock-in-thermography) 시스템을 이용하여 테스트 대상 디바이스 (DUT: device under test) 안에 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법으로서,
    상기 DUT 에 테스트 신호를 인가하는 단계;
    상기 테스트 신호가 상기 DUT 에 인가되는 동안, 적외선 카메라를 이용하여 상기 DUT 를 촬상하는 단계;
    샘플의 표면 상의 측방 (lateral) 온도 분포를 검출함으로써 측방에서의 열원의 위치를 결정하는 단계;
    감소된 시계 (field of view) 를 얻기 위해 상기 IR 카메라의 동작 영역을 감소시키는 단계;
    이어서, 다수의 상이한 락-인 주파수들에서 전기적 여기 신호들을 상기 DUT 에 인가하는 단계;
    상기 여기 신호들이 상기 DUT 에 인가되는 동안, 상기 감소된 시계를 이용하여 상기 DUT 를 촬상하는 단계;
    가변 락-인 주파수에서의 시간-분해 열 파형들을 검출하기 위해 열 촬상을 이용하고 모니터에 상기 시간-분해 열 파형을 디스플레이하는 단계; 및
    상기 전기적 신호 및 관련된 열 파형 사이의 위상 편이를 결정하기 위해 상기 시간-분해 열 파형을 분석하는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 시간-분해 열 파형을 분석하는 단계는 상관 함수를 이용하는 단계를 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 시계를 제한하는 것은 합계 데이터 포인트들을 발생시키기 위해 이웃하는 픽셀들의 값들을 더하여, 오직 상기 합계 데이터 포인트들만을 판독하는 것을 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 시간-분해 파형의 위상 편이를 측정하기 위해 상기 락-인 주파수와 동일한 주파수의 사인-함수와의 자기-상관 (auto-correlation) 을 이용하는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    열 파동 전파의 분석법으로 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 계산하는 단계; 및
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 주파수 거동에 대한 깊이 관련 위상 편이를 측정된 위상 편이와 상관시키는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    열 파동 전파의 유한 요소 모델링으로 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 계산하는 단계;
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이를 측정된 위상 편이들과 상관시키는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 시간-분해 열 파형의 형상을 양적으로 분석하기 위해 적어도 하나의 상관 함수를 이용하고 결과적으로 초래된 상관 인자들 대 락-인 주파수의 매트릭스를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상관 함수를 이용하는 것은 사인, 코사인, 제곱, 샤크-핀 (shark-fin), 지수 (exponential) 충전/방전 곡선 중 적어도 하나의 곡선을 포함하는 미리 정의된 파형들에 대한 자기-상관 또는 교차-상관 중 적어도 하나의 상관을 이용하는 것을 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    열 파동 전파의 유한 요소 모델링으로 주파수 거동에 대한 깊이-관련 위상 편이에 기초하여 이론적 상관 인자들을 계산하는 단계; 및
    상기 열원의 깊이를 식별하기 위해 상기 계산된 상관 인자들을 측정된 상관 인자들과 상관시키는 단계를 더 포함하는, 매립된 열원들의 시간-분해 위치추정을 위한 방법.
  24. 밀봉된 (encapsulated) 테스트 대상 디바이스 (DUT: device under test) 내의 결함의 위치를 추정하기 위한 시스템으로서,
    상기 밀봉된 DUT 를 장착하고 여기원 (excitation source) 으로부터 여기 신호들을 수신하기 위해 상기 DUT 를 연결하기 위한 벤치 (bench);
    상기 DUT 의 적외선 (IR) 이미지들을 얻기 위해 위치된 적외선 카메라;
    주파수 (ft) 에서 동기 신호를 발생시켜 상기 여기원으로 상기 동기 신호를 보내는 프로세서; 및
    시간이 지남에 따라 상기 주파수 (ft) 를 변화시키는 주파수 선택기를 포함하되,
    상기 프로세서는 가변 락-인 (lock-in) 주파수에서 시간-분해 열 파형들을 발생시켜 모니터 상에 상기 시간-분해 열 파형을 디스플레이하기 위해, 상기 적외선 카메라로부터의 데이터를 판독하고 상기 적외선 카메라의 열 촬상을 이용하는, 결함의 위치를 추정하기 위한 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 적외선 카메라의 시계 (field of view) 를 제한하는 시계 선택기를 더 포함하는, 결함의 위치를 추정하기 위한 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 프로세서는 오직 상기 적외선 카메라의 픽셀들의 서브셋으로부터의 판독만을 할 수 있게 하는 시계 선택기를 더 포함하는, 결함의 위치를 추정하기 위한 시스템.
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