Depuis les années 1960, l’industrie du semi-conducteur s’est alignée sur la loi de Moore qui prévoit le doublement de la densité d’intégration des transistors par unité de volume tous les deux ans. La loi de Moore comporte deux lois empiriques qui décrivent l’évolution de la complexité et de la miniaturisation des composants électroniques, initialement pour accroître la vitesse de calcul des ordinateurs. Cette évolution des composants électroniques amène à des structures plus complexes, notamment des structures 2,5D et 3D où les puces sont empilées ou placées les unes sur les autres, dans un même boîtier. Cette complexité amène de nouvelles difficultés dans l’expertise de ces composants. Parmi les techniques permettant l’analyse des composants électroniques, la Thermographie Infrarouge (TIR) a été choisie pour mener le travail de thèse car elle montrait un réel potentiel.
La TIR est une technique de mesure du rayonnement infrarouge non destructive et sans contact. Le système du CNES est équipé d’une caméra en antimoniure d’indium qui permet de mesurer le rayonnement infrarouge de longueur d’onde 3-5µm avec une résolution spatiale pouvant aller jusqu’à 3µm. La mesure du rayonnement infrarouge est plus classiquement répandue dans l’industrie pour effectuer du contrôle structural non destructif (CND) sur des composites ou alliages d’aluminium pour usage aéronautique par exemple. Dans le cadre de la thèse, la TIR est utilisée principalement avec 3 modes de fonctionnement pour effectuer de l’analyse de défaillance.
Thermographie à détection synchrone ou lock-in thermography : en thermographie lock-in le composant sous test (DUT) est sollicité par une activation électrique, synchronisée avec la prise d’image de la caméra IR. Cette analyse permet d’obtenir une image d’amplitude qui donne l’intensité du point chaud créé par le défaut, et une image de phase qui contient des informations sur le retard entre l’émission du rayonnement et sa perception par la caméra.
Mesure de température : la mesure de température nécessite une calibration très précise afin de convertir le flux de photons perçu par la caméra en température.
Acquisition de phénomène rapide ou trigger delay : le trigger delay fait partie de la thermographie active basée sur une méthode d’échantillonnage temporel. Ce mode d’acquisition permet d’augmenter artificiellement la fréquence d’échantillonnage de la caméra afin d’analyser des évènements thermiques transitoires rapides répétables.
La principale difficulté du domaine IR est l’émissivité de surface, souvent très hétérogène pour les composants électroniques. L’application d’un revêtement a démontré son utilité en cas de mesure de température réelle, mais également en localisation de défaut en permettant une localisation plus précise du défaut. Cependant, le revêtement n’est pas toujours possible il peut être invasif.
La TIR a démontré ses capacités de caractérisation, notamment via la mesure de température à fort grandissement en effectuant une calibration adaptée. En effet, il a été possible d’effectuer une mesure de température au travers d’un substrat silicium, sur des composants de taille de l’ordre de la dizaine de micromètre. Il a également été possible d’établir très rapidement une solution de design debug.
Pour la localisation par TIR, l’excitation électrique ainsi que des utilisations moins classiques ont été explorées. Les différents essais conduits ont démontré que l’utilisation des ultrasons était relativement invasive, donc plutôt destinée à l’analyse de matériau massif. L’utilisation d’un flash pour créer la source de chaleur apporte des résultats satisfaisants mais pour des applications relativement restreintes. Cependant, elle permet de distinguer des matériaux organiques non chargés, invisibles aux rayons-X par exemple.
Comme toutes techniques, la TIR possède ses avantages mais également ses faiblesses. Ainsi, plusieurs techniques complémentaires à la TIR sont proposées.
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Since 1960, the semiconductor industry has followed Moore’s law, which predicted that the density of transistors would double every two years. Moore’s law consists in two empirical laws describing the complexity and miniaturization of electronic components, with the aim to increase computer speed initially. This evolution led to the creation of more and more complex component, particularly with structures in 2.5D and 3D, where respectively dice are side by side or one on another, all in the same package. This increase in complexity has also led to new challenges in analyzing the of such components. Among all the various failure analysis techniques, the infrared thermography (IRT) has been in the frame of this PhD assignment.
IRT is a non destructive and contactless infrared radiation measurement technique. The system used is composed of an InSb sensor that senses wavelength between 3-5µm, with a spatial resolution about 3µm at best. Infrared radiation measurement is classically used for industrial purposes in non-destructive analysis and control of structure and mechanical parts, for example on composite or aluminum parts used in the aviation industry. Within the framework of the PhD, IRT is mainly used for three failure analysis modes on electronic components:
Lock-in Thermography (LiT): LiT is an active thermography technique where the device under test (DUT) is electrically activated by a signal synchronized with the image captured by the IR camera. This analysis allows to obtain two information. On a one hand it gives the intensity of the power delivered by the exothermic defect. On the other hand, it provides information about the delay between the emission of the IR radiation by the defect and its perception by the IR camera.
Temperature measurement: Temperature measurement requires a very precise calibration in order to convert photons flux into the temperature value.
Fast phenomenon acquisition or trigger delay: Trigger delay is an active thermography technique based on time-related sampling of the signal. This technique allows increase artificially the camera sampling frequency in order to analyze fast and repeatable thermal phenomenon.
The main difficulty about IR radiation is the surface emissivity, which is most of the time very heterogeneous for electronic components. A coating application has been demonstrated to be useful not only in temperature measurement but also in defect spotting, thanks to the improved localization precision. Nevertheless, applying such coating is not always possible because this process can be invasive.
IRT has shown its capacity in thermal characterization, especially through high magnification temperature measurement, thanks to proper calibration. Indeed, it has been possible to make a temperature measurement through silicon substrate, on components of a size of around 10µm. It has also been possible to provide some design debugging solution.
For defect localization by IRT, electrical activation, as well as less known techniques had been explored. These different tests have identified that the utilization of ultrasounds for excitation purposes is relatively invasive, and therefore more dedicated to solid materials. Light excitation for heat generation through flash lamp brings satisfying results, however the applications are very limited. Nevertheless, it could be used to display non charged organic material which could not be detected by that XR tomography, for example.
To conclude, like all techniques IR thermography has its advantages but also its weaknesses. Therefore, several other methods will be suggested.
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