TW201514482A - 用以辨認熱點位置的鎖相熱成像方法及系統 - Google Patents
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Abstract
一種使用鎖相熱成像(LIT)技術判斷一樣本12內，特別是在已封裝的受測裝置(DUT)內的熱點27位置的方法，其中一電路的至少一熱源23是埋藏在該樣本12內並於電流流經時產生熱點27，該方法包括：施加一鎖定頻率的非諧波激發波測試信號到該樣本12的電路，以激活該熱源23，用於產生該熱點27；在該非諧波測試信號施加到該電路時，使用一紅外線偵測器16對該樣本12成像，而得到該樣本12的IR影像；及偵測從該影像中得到的一熱學響應信號，該熱學響應信號與該樣本12內的熱的熱傳播具相關性。本發明的特徵在於：施加該非諧波測試信號的步驟包括施加一單一選定頻率的非諧波信號；且將該熱學響應信號進行傅立葉變換(FT)，以分解該熱學響應信號到一頻譜，該頻譜包含屬一基頻的諧波信號及較高頻的諧波信號，以由此得到對應於多數特定頻率的多數特定於頻率的響應信號；計算各個特定於頻率的響應信號之相位移；由特定於頻率的響應信號之相位移的計算結果得到一頻率與相位移關係曲線；及顯示多數影像，各影像對應於該特定頻率中之一頻率。
Description
本發明是屬於使用鎖相熱成像技術(lock-in thermography-LIT)檢測異常所在位置之技術領域。更具體地說，本發明適用於對各種已檢測到的異常，判斷其空間位置與深度的方法與系統。本發明的特定實施例，乃是關於在半導體積體電路中，即在技術領域中稱為受測裝置(device under test-DUT)中，偵測在該受測裝置中的電路，因為異常所造成的熱點(hot spots)，而判斷其異常所在位置之方法與系統。
WO 2011/156527 A1揭示一種三維的熱點位置判斷方法，該發明使用鎖相熱成像技術，檢測一樣本全部範圍中的微小溫度變化。其方法是使用紅外光敏感照相機直接熱成像，結合逐像素的2通道鎖相相關性檢測技術達成。在進行定量LIT分析和判斷隱藏熱源的三維位置時，須先了解熱波傳播的基本原理和熱點區域上方的材料層的熱學與幾何特性，對熱波傳播的影響。在該WO 2011/156527 A1的系統與方法中，是將測試信號以數種不同的鎖相頻率施加到樣本，以確認在各該鎖相頻率下的相位移值。該相位移是熱在材料中傳播的結果，因而可用於表示該熱點所在位置的深度。另外也會得到頻率與相位曲線的關係，並據此判斷在該樣本中故障所在的深度。這種頻率與相位曲線的關係可用來計算，即利用一種代表該DUT
結構的數學模型來計算造成該熱點的故障點精確的三維位置。這種對故障點的準確位置判斷結果，還可以應用於識別造成故障的電路元件。
Fernando Lopez Rodriguez等人在「以脈波相位熱成像技術對複合材料做非破壞性評定：反推深度」(Non-Destructive Evaluation of Composites Materials by Pulsed-Phase Thermography：Depth Inversion，Proceedings of COBEM 2011，2011年10月28日，頁1-11，XP055082429，見於以下網址：http：//emc.ufsc.br/labtermo/publica/ac19_C0B25761_211 TIR.pdf，2013年10月3日檢索取得以下章節：Introduction、2.2 Principles of Pulsed Phase Thermography、2.3 Data acquisition and processing in PPT；figures 1,2,7,8)揭示使用脈波相位熱成像技術(PPT)對複合材料做非破壞性評定的應用。在這種方法中，複合材料樣本通過熱脈衝短暫地加熱，並使用紅外線照相機記錄其表面溫度的下降。提取其熱激發脈衝，進行資料處理和深度反推。對不同頻率的脈波資料提取則是利用一種離散型一維擴散長度方程式，該方程式與鎖相熱成像技術類似。因此，可將反推的問題簡化為在頻譜中檢測相位對比的問題。
在Christian Schmidt等人的論文：「採用鎖相熱成像技術在全封裝裝置與堆疊裸晶裝置內做非破壞性深度判斷」(Non-destructive defect depth determination at fully packaged and stacked die devices using Lock-in Thermography”,PHYSICAL AND FAILURE ANALYSIS OF INTEGRATED CIRCUITS(IPFA,2010),proceedings 17th IEEE International Symposium on the IEEE，美國新澤西州，2010年7月5日，頁1~5，XP031720074，ISBN978-1-4244-5596-6)中，提出一種使用鎖相熱成像技術在堆疊裸晶的
單一晶片結構中，對於熱活性隱藏故障作非破壞性3D定位的方法。該論文還描述了使用相位移技術來推導熱活性隱藏故障的深度。其基本原理是關於通過不同的材料層的熱傳播特性，以及所產生的相位移。在此基礎上，利用LIT技術決定故障的3D位置，適用的結構包括全封裝的單晶片以及裸晶堆疊結構，同時比較了理論值與實驗數據(結果)。
根據美國專利US 6812468 B1記載，同時將多頻的激勵信號，如2或以上的離散頻率的激勵信號，以一可電動調制的熱光源施加，可以用來對該不同的驅動頻率做並行評估。其結果可以顯著縮短量測多層系統的測量時間。合適的選擇驅動頻率的離散頻率部分，即可用來解決測量的問題。
Maldague X等人在「脈衝相位紅外光熱成像」(Pulse Phase Infrared Thermography，刊於Journal of Applied Physics,American Institute of Physics，美國紐約，卷79，第5號，1996年3月1日，2694至2698頁，XP000593846，ISSN：0021-8979，DOI：10.1063/1.362662)揭示一種技術，同時結合了脈衝(PT)和調製的紅外光熱成像(MT)技術。在進行非破壞性評估時，是對樣本以脈衝加熱，與在PT技術相同。將導入樣本的熱波的頻率混成，通過將溫度在視野內的溫度分布變化作傅立葉變換，進行解密。所得到的最大相位影像具有多種優點：探測能力更深，對表面紅外光和可見光領域特性影響較小，影像記錄(脈衝加熱，全表面檢見)更加快速，並可用來檢查高導熱性的樣本。該論文提出數種實驗結果，並作理論探討。
在測試和檢驗DUT時，事實上只需確定引發熱點的故障的大約深度位置即為以足。因為所得到的結果乃是用來設計對該DUT進一步
的測試以及分析。例如，有時可以利用離子研磨或其它方法去除DUT的分層結構的部分，以使該故障暴露於外，用於進一步的成像及/或編輯操作。判斷該熱點位置的目的，指示用來適當的控制銑削和位置與深度。此外，從已知的故障大約深度位置，就可以同時推斷該裝置的特性及/或故障的原因，以及發生故障的電路的大致部分。
鑑於如上所述的現有技術現況，業界亟需有一種使用鎖相熱成像(LIT)技術，在一樣本上判斷熱點位置的方法與系統，以縮短對該樣本，例如為一受測裝置(DUT)之檢測時間。
以下發明簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明簡述並非對本發明之廣泛介紹，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一目的僅在以簡單之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。
根據本發明的實施例，乃是提供一種方法，用於利用請求項1的鎖相熱成像(LIT)技術，在一樣本中判斷熱點之位置。
在本發明的實施方式中，是使用非諧波測試信號，該信號是一種方波脈衝測試信號，最能表示供給到樣本的能量的電源接通和斷開。該非諧波測試信號是以單一選定頻率提供，該頻率可為預計可產生來自DUT的響應的最低頻率。該最低選用頻率可以設定成，例如，0.5Hz或1.0Hz。
在本發明的實施例中，該傅立葉變換為快速傅立葉變換(FFT)，故而可進一步縮短每個樣本的測量時間，因為FFT的輸出已經是在預先選擇的頻率中，特定於各個頻率的響應信號。
本發明的方法另可包括以平方根函數平滑化該頻率對相位移曲線的斜度，以改善該深度位置的判斷，其方式是利用從該平滑化的頻率對相位移曲線，找出個別的測得頻率對相位移點的位移，進行評估。
在本發明的實施例中，該方法還可包括計算熱波傳播的解析解，以得到特定於樣本的頻率對相位移的曲線的理論曲線，以及將該計算所得的特定於樣本的頻率對相位移的曲線的理論曲線，與量測所得的頻率對相位移的曲線作相關性分析，以得到該熱源在該樣本內的深度位置。本發明的另一種替代性實施例可包括：以熱波傳播的有限元素模型，計算一特定於樣本的頻率對相位移的曲線的理論曲線，以及將該計算所得的特定於材料，與參數相關的頻率對相位移的行為，與量測所得，特定於材料，且與參數相關的相位移作相關性分析，以判斷該熱源在該樣本內的深度位置。在本發明中，該特定於樣本的頻率對相位移的曲線的理論曲線，與該量測所得的，特定於樣本的頻率對相位移的曲線越接近，測量結果的準確性越佳。
在本發明的數種實施例中，該方法還可以包括：從外部來源例如如傳統的自動化測試設備(Automated Testing Equipment-ATE)獲得測試信號，施加該測試信號，以及將一紅外光(IR)照相機作為紅外光偵測器，將該IR照相機同步於該由外部來源得到信號。該IR照相機可以具有二維的紅外光偵測器，且該FFT可以分別施用到該二維紅外光偵測器的每個像素的一輸出信號。在將FFT施用到該紅外光偵測器的像素的個別輸出信號後，可從所得的信號產生多數影像，其中，每個影像對應於一個選定頻率的一響應。
根據請求項7，本發明的實施例可以包括一種系統，用於通過鎖相熱成像技術(LIT)判斷一樣本中熱點的位置。
本發明所提供的系統方法優點之一是，本發明在每一量測週期中只使用單一頻率的單一非諧波測試信號作為激發能量，以使測試樣本響應於該非諧波測試信號，產生反應。本發明並將個別的響應信號進一步處理，以得到在其頻率對相位移的曲線上的相位移量測點，藉以在單一量測周期中，即可對於多數的鎖相頻率分別得到特定的頻率對相位移曲線，並在該曲線中得到相位移量測點。換句話說，對於每一個型態的樣本，只需對一頻率，進行一次量測，且所得的數據將對應於多數的頻率。
本發明的有利實施例的特徵，記載在請求項依附項中。
雖然本發明在實施例的說明中，都記載以已經封裝的積體電路為量測對象，但本發明也可應用於測試其他會因電性激發而產生熱點的裝置，例如電池，太陽能電池，功率元件，LED等。因此，本專利說明書的說明中，對於DUT的敘述，也可適用於這些裝置。
本發明其他優點，特徵和潛在的應用，可以從以下的詳細說明，並參考圖式所描繪的實施例，而更形清楚。
在整個說明書，請求項和圖式中，元件名稱與代表符號將與元件符號表所記載相同。附隨之圖式為本說明書所包含並構成本說明書之一部份。該等圖式例示本發明之實施例，並與發明說明共同解釋並描述本發明之原理。該等圖式之目的在於以圖表之形式描述例示實施例之主要特徵。該等圖式並非用以描述實際實施例之每一特徵或描述所示構件之相對尺寸比例，亦非按照比例描繪。
12‧‧‧DUT
14‧‧‧激勵源
16‧‧‧相機
18‧‧‧中央處理單元
20‧‧‧封裝
22‧‧‧激勵信號
23‧‧‧局部熱源
24‧‧‧同步信號
26‧‧‧影像信號
27‧‧‧熱點
30‧‧‧處理器
圖1：顯示在WO 2011/156527 A1專利案所記載的實驗步驟中的橫截面圖，其中該樣本內埋藏有故障。
圖2：顯示在該WO 2011/156527 A1專利案中所記載，埋藏在一矽與模複合物的1mm材料層下的故障，施用鎖相頻率後所得的相位移結果曲線圖。
圖3：顯示用來實施本發明方法的系統概要圖。
圖4：為輸入方波測試信號與其響應信號時間解的波形圖，顯示響應信號的遲延，代表故障的深度。
圖5：顯示使用FFT以將一方波信號平移成多數正弦波信號，並將時間域的曲線圖轉換長頻率域的曲線圖。其中，該頻率域中的振幅標準化為1。
圖6：顯示將使用快速傅立葉變換(FFT)對所得到的信號各分段計算所得結果示意圖。
圖7：顯示使用FFT對一樣本以頻率05.Hz的方波信號激發後，所得的信號頻率域曲線圖。
圖8：顯示將如圖7所示的結果作相位分析所得的頻率對相位移曲線。圖9：顯示對使用單一頻率的激發信號所獲得的響應影像的每個像素，以FFT處理，以建構多數響應影像，使每個影像都對應於一個選定激發頻率的方法示意圖。
在以下的說明中，是使用一DUT為實例來說明本發明。但DUT只是本發明所適用的樣本的一種特定例。
電子裝置的三維結構，例如系統構裝(system in packages-SIP)是由多數積體電路裸晶，裸晶附著層，互連的重分佈層等所組成，全部以垂直堆疊的方式封裝在一起。這種經過封裝的電子裝置是由矽、多元體和矽氧化物絕緣物、金屬線和線路、膠水及/或粘合劑，封裝模具等組成的異種材料疊層。因此，在其內部從熱點位置開始的熱傳播行為非常複雜。因此，要判斷故障的熱點在z方向上的位置，亦即其在樣本中的深度，相當困難。此外，複合的故障或樣本類型，也可能會導致不理想的熱點激活，因為在熱點位置上的功率轉換可能與理論值不同。本發明所揭示的數種實施例能夠在這種裝置中，正確的判斷出熱源(例如，熱活性的結構或故障)的準確位置。
本發明的實施例透過對電性激發與熱響應之間的相位移/時間遲延作定量量測，以及對所量得波形的形狀作定量量測，用以進行自動化或半自動的數值分析。所作的波形形狀分析可以基於測量結果與預先定義的函數之間的交叉相關性，產生一個相關性矩陣，而不僅是對每個施用的鎖相頻率計算單一的相位值。
在一般情況下，該DUT是包封在材料中，而材料對光學檢驗而言並非透明。然而，紅外光波長(通常為3-5μm)的熱波卻可以通過該材料而傳播，使得位在該內部熱點上方的裝置表面溫度升高。這種溫度的升高可以利用IR相機成像，並利用LIT測得。該埋藏的熱擴散處理的時間常數決定激發信號與其熱學響應之間的相位移。產生該熱學遲延的主要原因是熱傳導係數較低的材料層，例如模複合材料層，裸晶固定膠，多元體與矽氧化物隔離物，而不是矽裸晶或金屬層，因矽裸晶或金屬層具有相當高
的熱導率。簡言之，熱點和裝置表面之間的距離越大，所得的相位移越大。因此，如果熱點上方的材料的熱學性能已知，即透過量測該相位移值來判斷熱點的深度。
用來描述影響一材料層的熱學性能的參數，在本文中稱為熱擴散長度(μ)，代表大體積材料內部對熱波的阻尼。熱擴散長度μ(單位：mm)描述熱波在各種材料中的傳播特性，並定義為熱波的振幅下降到e-1時的特徵長度。其值可以下式計算得出。式中的熱學參數包括：熱傳導率(λ，單位為W/m*K)，比熱容量(Cp，單位為J/g*K)，密度(ρ，單位為g/cm3)以及所施加的鎖相頻率((flock-in，單位為Hz)。該熱學參數可以簡化成熱擴散率(α=λ/Cpρ，單位為mm2/s)。
因為熱擴散長度μ對於每種熱波傳播所通過的材料都不相同，故障所在位置越深入該DUT內，熱波傳播到表面所需時間越長。因此，如果降低激勵信號的頻率，將提供足夠的時間使熱波傳播到表面，並由該IR照相機取像，進而判斷該熱源的位置。即使其中存在數百微米的紅外光不透明材料層，也可達成。由於該熱擴散長度可以看作熱波的阻尼因數，熱擴散長度不僅影響所得到的熱波幅度，也會影響其相位。如果鎖相頻率越高，對熱點位置施加的激勵信號與裝置表面上的熱響應之間的時間遲延越長。由於相位移量為鎖相頻率的函數，提高鎖相頻率的結果將會導致相位移量的提高。
相位Φ的相位移和熱點深度z之間的關係可以下式表示：
其中，μ表示熱擴散長度。
LIT的技術可以用於非破壞性的判斷熱點在一個全封裝的單一晶片裝置，即如圖1所示的裝置內的位置，並在之後的實體故障分析步驟中，提供了更準確的定位。圖1顯示出位在封裝20內並由絕緣體24覆蓋的IC晶片22。當電流流過晶片22時，異常23，例如一故障將產生熱波26。熱波26傳播到絕緣體24的表面，顯示成為一個熱點27。該熱點可以由一個紅外線相機取像，以提供對該異常的空間定位。該電流與熱點在該表面上出現熱點之間的時間延遲，即相位移，可以用來判斷該異常的深度。
熱點深度、所施用的鎖相頻率以及所得到的相位移之間的關係，可以使用測試結構以限定的點熱源進行量測。該測試結構採用含有銅線條蜿蜒布局的單晶片裝置充當。該蜿蜒布局的局部可利用聚焦離子束技術(FIB)進行修改，以產生良好定義的局部熱源23。在創建完成該局部高電阻區後，以電源電壓為1.2伏，鎖相頻率為5Hz的LIT測量該單晶片裝置，產生功率耗散為14毫瓦的局部熱源。在下一個步驟，以模具化合物24封裝該裝置，以形成熱點和裝置表面之間的材料層。在這種實例中，熱點的深度可由該裝置和單晶片的尺寸得知，測得結果為950微米。如圖1所示，以陶瓷雙列直插式封裝(DCIP)20包裝該含有人造故障23的單晶片22。最後將一種模具化合物24填充在晶片22上方，使其厚度達到晶片22的頂表面以上950μm。
基於上面所解釋的理論，0.1至7Hz的頻率範圍對該DUT進行測試，量測將所得到的相位移量。圖2顯示所施用的鎖相頻率與所得到的
相位移量之間的關係圖。圖中顯示將測量所得的數據點繪製在理論曲線上的結果。從該圖可以清楚看出，該曲線確實對應到0.1至3Hz鎖相頻率範圍的理論值。在5到7Hz的範圍中，得到些微的不匹配，但該現象可以解釋為由於熱波的阻尼較高，造成低信號雜訊比(S/N)，產生的結果。這種影響可以利用延長的測量時間加以除去，這是因為該檢測器的隨機雜訊會隨著測量時間的平方根降低。
如圖2所示，實驗證明，在模制複合材料中相位移與鎖定頻率之間的關係會與理論值呈現良好的相關性。實驗得到的結果證明鎖相熱成像檢測可用來對完全封裝的裝置內的熱活性結構或故障，作三維的定位。
對於堆疊晶片集成裝置，例如，一個系統級封裝內存在的3D熱點的位置偵測，還需考慮影響偵測結果的第二個因素。在熱點位置處產生的熱波必須通過不同的材料層，例如，矽，模具化合物，晶片粘接膠等等傳播，每種材料層都具有不同的厚度和材料性質。其結果是，根據在有故障的裝置中個別晶片上的軸向熱點位置不同，不僅熱點到裝置表面的距離有異，而且熱擴散長度也有變化。因此，在堆疊結構內下方的晶片內的熱點所產生的熱波，相比於靠近裝置表面的熱點產生的熱波，必須通過更多的材料層。就如先前針對單晶片裝置的說明，此種熱波的傳播行為可用來判斷該熱點所在位置的深度，其方法是使用某些範圍的頻率，對不同的熱點位置量測其相位移理論值。與對單晶片裝置的量測不同的是，在堆疊結構是假定該熱點是與一個特定的晶片相關，在此假設下即可透過該材料系統的一種離散模型判斷熱點位置。因此，至少在第一級中，總熱擴散長度即是各材料層的單一熱擴散長度的總和。此外，總熱點深度即為單一材
料層的厚度總和。
圖3顯示用於執行LIT的系統，該系統可用於實施如下所述的本發明方法。受測裝置(DUT)12是由激勵信號22，以由激勵源14產生的鎖相頻率激發。該激勵信號的鎖相頻率是由一個中央處理單元18所設定。雖然一般熱成像可以使用正弦信號產生，但因為DUT是一個數位裝置，因此在本例中的激勵信號22是一個電性矩形波或方形波信號，用來關(ON)或開(OFF)在DUT內的數種主動元件，例如，電晶體。無論是矩形波或方形波信號，其振幅都會在達到最大值和最小值時瞬間轉換，使其頻率為每週期內的轉換次數，例如，每秒的轉換次數。因此，在本質上，該測試信號22可視為給定頻率下的一列脈衝。
一個同步信號24從中央處理單元18輸出，並發送至激勵源14。最簡單的方法是將同步信號24設定在所期望的鎖定頻率。當然也可能設定在不同的頻率，只要能夠使激勵源14使用同步信號24，在所希望的鎖相頻率下產生激勵信號22即可。當該激勵信號使電流在DUT12內流動，DUT12內的異常將產生局部熱點。從熱點所發生的熱之後會在DUT12內傳播，直到到達DUT12面對紅外照相機16的表面時為止。IR照相機可以是一個二維陣列偵測器。之後熱射線28從DUT12對IR相機16的表面輸出，用來形成該DUT表面的紅外光影像，並用來輸出影像信號26至包括處理器30的中央處理單元18。相機16的取像速率通常參考該鎖相頻率而定。如果是使用2通道紅外光相機，該相機的取像速率為該鎖定頻率的4倍。利用圖3的配置，即可探測出熱點在DUT 12內部的空間位置和深度位置。圖3的配置中的處理器30乃是建置成可執行如下所述的本發明所需的程序。
圖4顯示該方波激勵信號與紅外光響應信號的關係圖。激勵信號的緣部與響應信號之間的時間延遲即是相位移，以Φ表示。如上所述，所得到的相位移會因所施加的激勵信號的頻率不同而異。因此，為了能夠精確的測量深度值，測量時需要重複多次，以不同的頻率進行，才能獲得圖2所顯示的曲線圖。另一方面，根據以下描述的實施例所示，本發明可僅使用單次測量，使用單一頻率而得到正確的結果，且所得的相位移乃是對應於多個頻率下的多個激勵信號。
圖5中的圖表顯示了傅立葉變換背後的基礎理論，也可參見https：//en.wikipedia.org/wiki/Fourier_transform。根據傅立葉變換理論，每個方波都可以利用數個正弦波疊加，達成趨近。其中將波形趨近於一方波脈衝的結果，可以使用將不同頻率的正弦波疊加形成的諧波加以改善。換句話說，任何方波都可以分解成具有如圖5所示的不同頻率的正弦波。
圖5中的(a)欄各個正弦曲線是以振幅的圖形與時間的關係顯示。各正弦波曲線具有不同的頻率，均如圖中(a)欄所示。圖中(A)列的(b)欄表顯示的正弦波，可以視為基本波形。該波形也顯示在(A)列的(a)欄。其它較高頻的諧波正弦波則顯示疊加在(B)欄的基本正弦波之上。(B)列的(b)欄顯示第一列的正弦波，以及圖中(B)列的(a)欄的正弦波，成為組合的圖形。(B)列的(c)欄顯示的圖形，是經過疊加後的波形，亦即將(A)列和(B)列中的(a)欄圖形疊加的結果。該圖顯示，(B)列的(c)欄所示的圖形已經趨近一方波。(C)列的(c)欄所示的圖形則是將(A)，(B)和(C)列的(a)欄中的正弦波疊加所得到的曲線。其中所示的方波經過更好的趨近，優於(B)列的(c)欄所示的波形。
在(C)列的(D)欄所示的圖形則是疊加所有四個(a)欄的正弦波得到的結果。該波形更趨近於一方波脈衝。如圖中所示，使用越多高度諧波的正弦波，疊加到基本正弦波，對該非諧波的方波所得到的趨近結果越佳。
從上述說明可以看出，任何方波都可以細分成具有不同頻率的正弦波，如圖5所示。傅立葉變換可以用來分解任何原始信號，只要該原始信號不具有正弦形狀，亦即，如果該信號是一個非諧波信號，即可以傅立葉變換來分解。因此，在定義上，非諧波信號可以為任何形狀，只要不是正弦波形即屬之。非諧波信號的實例包括方波，三角波，鋸齒波等。以下的實施例利用這種方法，實現只以單一頻率的激勵信號，定位埋藏的熱點。
應該注意的是，使用非諧波激勵信號，特別是方形波或矩形波的激勵信號來量測積體電路，其實是順應積體電路的特性，而非違反其特性。積體電路內具有主動型裝置，即電晶體。電晶體在設計上是用來根據所施加的二元信號，達成不同的二元狀態。因此，使用二元的方形或矩形信號來測試IC實際上是有利的方法。
因此，根據下面的實施例，本發明是以一非諧波信號，即方波信號，只在一個單一的頻率下激發受測裝置。該單一的頻率是選定為適用於量測的最低頻率。以傅立葉變換處理所得的響應信號，以提取對應於所有所需的激勵頻率的響應信號。其方式可以從以下的說明，更形理解。圖6顯示一方波激勵脈衝TS與所得的響應信號RS的關係的一種實例，圖中顯示其間與激勵強度的關係。在圖6的實例中只顯示單一的激勵脈衝和一個響應脈衝，但卻可以多個週期中收集到激勵信號和IR響應信號。在一個實例
中，該激勵信號的頻率選定為0.5Hz。在初始時間點，將這種方波激勵信號施加到DUT的電路，作為非諧波測試信號。在測試信號施加到DUT時，以紅外線照相機拍攝該DUT，得到該樣本的IR影像，所得結果即為如圖6所示的響應信號RS。該熱學響應信號RS是從紅外相機的成像而獲得，並且與DUT內部的熱傳播具有相關性。
其後對該熱學響應信號RS進行快速傅立葉變換(FFT)，參見https：//en.wikipedia.org/wiki/Fast_Fourier_transform，用以分解該熱響應信號到特定的頻譜中，至少包含1到x的個別頻率，如圖6所示。圖中顯示頻率1到x分別具有一個特定的相位移Φ1到Φx。之後將該等相位移Φ1到Φx依照其頻率繪製成一個頻率對相位移曲線圖。由於使用FFT的轉換，可以進一步縮短對每個樣本的測量過程。這是因為FFT的結果已經是預先選擇的頻率中，特定於個別頻率的響應信號。
使用快速傅立葉變換(FFT)的效果，也顯示在圖7中。圖中顯示以頻率與振幅關係表示快速傅立葉變換(FFT)的結果。如圖所示，FFT將所得資料從時間域(即振幅對時間的曲線圖)轉換成頻率域(即振幅對頻率的關係)。圖7顯示以FFT分解熱響應信號RS成為大量的個別特定波峰，以振幅對應於個別頻率表示。由於信號的振幅也與樣本和各頻率所導致的相位移相關，從圖7的圖形所得到的結果也可以繪製成頻率對相位移的關係圖，如圖8所示。
但應當注意的是，圖7的圖形中，波峰相對應的頻率是圖6所示的頻率1到頻率x。這些頻率對應於與基本諧波信號(正弦或餘弦波)相關聯的諧波信號。換句話說，特定於該等頻率的響應信號的相位移，是
由該多數特定頻率所決定。同時，從特定於該頻率的響應信號(在頻率1到4與頻率x得到的響應信號)的相位移與該熱源產生的熱點深度位置的關係，可以得到一個頻率對相位移關係的曲線。
圖8的圖形是對一受測裝置測試時的頻率對相位移關係曲線。在圖8所示的曲線是由多數的量測點所得，該量測點包含在0.5到50Hz的頻率範圍，並以圖7的圖形中的波峰為測量點。但應當注意的是，該頻率範圍是較圖7所示的測量範圍更為延伸。然而，在實踐中，只要使用對應於圖7的圖形中的波峰中，最多4個或5個測量點，即足以建構出以本發明的量測方法得到令人滿意的結果所需的基礎。
圖8的圖形同時也顯示根據本發明的系統和方法的優點。亦即，只進行單次測量運行，且只使用一個非諧波測試信號，以一個單一的頻率作為激勵能量，用於使樣本響應，回應該非諧波測試信號，即可得到一特定頻率對相位移的關係曲線，用以代表一定數量的鎖相頻率。其中該等個別個單一的響應信號經過進一步的處理，以獲得該頻率與相位移的關係曲線。換句話說，對每種類型的樣本只需在一種頻率下量測一次。
Christian Schmidt等人的論文以及WO 2011/156527 A1都揭示如何從頻率對相位移的曲線推導出故障的深度位置。因此，圖8的頻率與相位移的關係曲線可以作為一個基本的信息，用來確定故障的深度位置。
圖9顯示本發明的另一個特徵。在圖9的實例中，在一系列的以單一頻率激發後得到的影像，顯示為紅外線偵測器所得的像素90。這個影像可以通過連續平均化實際得到的影像而得，藉以獲得信號雜訊比(S/N)提高的影像。根據這一特徵，在前一時間間隔的結尾時點所擷取到的
DUT的表面影像，以在下一時間間隔的結尾時點所擷取到的DUT的表面影像，加以平均化。隨著越來越多的影像在每個下一時間間隔的結尾時點獲得，所有的影像經過一步一步的連續加總及平均化。由於響應信號保持不變，雜訊將隨著時間的推移因上述平均化過程而抵銷。因此，所得到的影像90具有改善的信號雜訊比。
如放大圖91所示，每個像素都包含在DUT上的一個相應位置上的個別響應信號。根據本實施例，以快速傅立葉變換應用到每一個像素，以得到針對每個像素在多種頻率的響應信號。這些影像可以存儲或顯示給使用者。亦即，使用者可以任意地選擇任何特定的頻率，即可使用單一影像90產生對應於這些頻率的影像，並加以顯示。該單一影像90是使用單一的非諧波頻率激發所產生。在圖9中是顯示成3個影像92，94，96，每個影像對應於不同的頻率，例如分別為0.5Hz，1Hz及3Hz。每一個像素表示該頻率的熱點響應，例如放大圖93，95和97所分別表示。
以上是以特定實施例對本發明所作的說明，所提出的實施例乃是例示之用，而非用以限制本發明的範圍。習於斯藝之人士將理解，本發明可以使用各種不同的硬體，軟體和韌體，加以實施。此外，只要閱讀本件專利說明書並實踐說明書所記載的發明，本發明的其他實施方式對於此行業人士即屬顯而易見，而能推知。因此，本專利說明書及其實施例的說明，目的僅是示例，不得用以限制本發明之範圍。本發明的真實範圍應由以下的申請專利範圍所規範。
Claims (11)
- 一種使用鎖相熱成像(LIT)技術判斷一樣本內，特別是在已封裝的受測裝置(DUT)內的熱點位置的方法，其中一電路的至少一熱源是埋藏在該樣本內並於電流流經時產生熱點，該方法包括：施加一鎖定頻率的非諧波激發波測試信號到該樣本的電路，以激活該熱源，用於產生該熱點；在該非諧波測試信號施加到該電路時，使用一紅外線偵測器對該樣本成像，而得到該樣本的IR影像；及偵測從該影像中得到的一熱學響應信號，該熱學響應信號與該樣本內的熱的熱傳播具相關性；其特徵在於：施加該非諧波測試信號的步驟包括施加一單一選定頻率的非諧波信號；且將該熱學響應信號進行傅立葉變換(FT)，以分解該熱學響應信號到一頻譜，該頻譜包含屬一基頻的諧波信號及較高頻的諧波信號，以由此得到對應於多數特定頻率的多數特定於頻率的響應信號；計算各個特定於頻率的響應信號之相位移；由特定於頻率的響應信號之相位移的計算結果得到一頻率與相位移關係曲線；及顯示多數影像，各影像對應於該特定頻率中之一頻率。
- 如請求項1所述的方法，其特徵在於該傅立葉變換是快速傅立葉變換(FFT)。
- 根據請求項1所述的方法，其中該施加一非諧波測試信號的步驟包括施加一脈衝方波測試信號的步驟。
- 如請求項1所述的方法，另包括以平方根函數平滑化該頻率與相位移關係曲線的斜率，以改善判斷該深度位置的正確率的步驟。
- 如請求項1所述的方法，另包括以下步驟：利用對熱波傳播的分析解，或利用熱波傳播的有限元件模型，計算一理論上的，特定於樣本的頻率與相位移關係曲線，及將該理論上的，特定於樣本的頻率與相位移關係曲線，與該量測所得的頻率與相位移關係曲線，作相關性分析，以判斷在該樣本的該熱源的深度位置。
- 如請求項1所述的方法，其中該施加測試信號之步驟包括：由一外部來源取得該測試信號，及以一IR照相機作為該紅外偵測器，並將IR照相機與該外部來源取得之測試信號同步。
- 一種系統，用於判斷在一樣本內，特別是已封裝的受測裝置(DUT)內的故障的位置，該系統包括：一平台，用以安裝該樣本；一激發源，以施加一鎖定頻率的非諧波激勵測試信號到該樣本；一紅外線偵測器，較好為一紅外光照相機，用於在將該非諧波測試信號施加到該電路時，使該樣本成像，以得到該樣本的紅外光影像；其特徵在於，該處理器是配置成：讀取來自該紅外線偵測器的資料，並使用該紅外線偵測器的熱學影像產生熱學波形，其步驟包括： 以單一選定頻率施加該非諧波測試信號；對所得的該熱學響應信號進行傅立葉變換(FT)，以分解該熱學響應信號到一頻譜，該頻譜包含屬一基頻的諧波信號及較高頻的諧波信號，以由此得到對應於多數特定頻率的多數特定於頻率的響應信號；計算各個特定於頻率的響應信號之相位移；由特定於頻率的響應信號之相位移的計算結果得到一頻率與相位移關係曲線，或一特定於頻率的影像，分別相關於該樣本內故障所在深度位置；及顯示多數影像，各影像對應於該特定頻率中之一頻率。
- 如請求項7所述的系統，其中該處理器配置成對該響應信號作快速傅立葉變換(FFT)。
- 如請求項7的系統，其中該激發源配置成施加一方波脈衝測試信號到該樣本。
- 如請求項7所述的系統，包括：一同步信號輸入，配置用於接收對應於一非諧波測試信號的同步信號，該非諧波測試信號施加到該樣本的電路，以激活該熱源，用於產生該熱點；其中，該處理器進一步配置成接收該同步信號，並操作該紅外線偵測器，以在關聯於該同步信號的時間段，獲得該樣本的一系列熱學影像。
- 如請求項7所述的系統，其中該紅外線偵測器包括一個二維陣列的偵測器，且其中該處理器配置成對該兩維陣列偵測器的每個像素作傅立葉變換(FT)，以獲得各個像素的特定於頻率的響應信號。
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