中科院空間中心研發出集成電路缺陷激光定位裝置

航天產品的質量和壽命取決于產品設計、研制生產和試驗測試全流程的可靠性，而集成電路安全可靠是航天電子系統在軌穩定工作的基礎。現代集成電路制造流程中，工藝制造和設計環節均可引入芯片缺陷，在使用過程中可導致失效等。隨著芯片集成度的提高,芯片正面的金屬互連層不斷增加，倒封裝工藝得到廣泛應用，從芯片正面定位缺陷位置變得愈發困難。利用激光從背部開封裝的芯片進行的非接觸式無損缺陷定位技術，目前在集成電路靜態/動態缺陷定位領域得到廣泛應用。熱激光定位(TLS)和電光頻率映射(EOFM)是兩種典型的非接觸式缺陷定位技術。TLS利用激光熱效應對半導體器件材料進行局部加熱，改變其電阻特性，實現靜態缺陷定位。EOFM利用器件內部處于不同動態工作狀態晶體管與入射激光的電光調制效應，通過接收反射光信號對電路進行頻域圖像分析，實現動態缺陷定位。隨著集成電路工藝的飛速進步，對缺陷分析定位的速度和靈敏度要求不斷提升，相應的TLS和EOFM理論模型和技術手段需要不斷優化發展，我國亟需發展該領域自主可控的測試裝置。

    空間中心復雜航天系統電子信息技術院重點實驗室空間環境效應研究室長期從事激光與集成電路相互作用機制和試驗測試技術研究。2006年自主研制了國內首臺單粒子效應納秒脈沖激光模擬裝置。其后，又研制了皮秒脈沖和飛秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置，其性能和功能參數均已達到國際先進水平。在此研究基礎上，研究團隊針對TLS 研究提出了全新的綜合理論模型，并依據此模型自主搭建了激光熱激發定位集成電路缺陷裝備，定位精度為0.5μm。圖1是激光熱激發缺陷定位裝備原理結構圖，圖2是利用自主研發的激光熱激發缺陷定位裝備對一款單片機芯片的故障點定位結果。相關成果已發表于國際刊物Applied Sciences上。

    圖1：激光熱激發缺陷定位裝備原理圖

    圖2：利用激光熱激發缺陷定位裝備定位的某單片機失效點(a) 背部紅外相機成像示意圖(b) 失效點的具體位置(c) 掃描過程中電流的變化情況

    在傳統的EOFM技術基礎上，研究團隊提出了一種新的基于同軸顯微鏡的定位集成電路內部功能單元的頻率映射方法，自主搭建了集成電路缺陷檢測電光探針測試裝備，如圖3所示。目標電路以設定工作頻率工作，通過分析反射激光的頻率特性，準確定位目標電路功能區域及可能的缺陷位置。提出的同軸顯微鏡設計提供了良好的光斑質量和信噪比，可定位工作電流低至10-10A的芯片內部工作區域，圖4為針對某電路功能單元的定位結果，而相同功能的光發射顯微鏡只能定位該芯片5×10-4A的工作區域。研究團隊依托自主研發的電光探針測試裝備，還研究了器件電光信號的產生機制并提出一個理論模型，可精確計算器件內部節點的電壓信息（圖5），模型計算結果和試驗結果吻合較好。相關成果已發表于國際刊物Electronics Letters和Applied Sciences上。

    圖3：集成電路缺陷檢測電光探針測試系統

    圖4：a.某器件發送電路定位結果b.某器件接收電路定位結果

    圖5：芯片內部節點工作電壓試驗測試和計算結果

    論文鏈接

    [1] https://www.mdpi.com/2076-3417/10/23/8576（H. Yang, R. Chen, J. Han, Y. Liang, Y. Ma, and H. Wu, "Preliminary Study on the Model of Thermal Laser Stimulation for Defect Localization in Integrated Circuits," Applied Sciences 10, 8576 (2020).）

    [2] https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1049/ell2.12373（P. Liu, J. Han, Y. Ma, F. Zhang, Z. Wu, X. Zhu, and Y. Cui, "A frequency mapping method for locating functional units inside ICs based on coaxial microscope," Electronics Letters 58, 115-117 (2022).）