Advanced analysis of microelectronic devices and systems by lock-in IR thermography

Abstract

Desde los inicios de la revolución microelectrónica, su evolución tecnológica siempre se ha visto marcada por la búsqueda constante de dispositivos y sistemas electrónicos monolíticos más compactos, fiables y robustos, ofreciendo mejores prestaciones y funcionalidades a un coste razonable. Ello no sólo ha permitido su uso para complementar o sustituir en muchas aplicaciones a otros sistemas basados en elementos mecánicos, electromecánicos, hidráulicos, y neumáticos (sistemas de comunicación, more electric aircrafts o tracción ferroviaria), sino que también ha dado lugar a nuevos conceptos o campos de aplicación (internet of things o vehiculos autónomos) afrontando retos sociales. Todo ello ha conllevado ciertos contratiempos relacionados con los procesos de fabricación, fiabilidad, y caracterización de dispositivos y sistemas electrònicos monolíticos, superados gracias al acceso al xip ofrecido por los pads de interconexión. No obstante, la accesibilidad local a todo el chip no es posible externamente, y esta situación se ha visto agravada por la alta capacidad de integración monolítica actual. En este escenario, la caracterización externa no invasiva local mediante técnicas de imagen se ha convertido en una solución muy prometedora. Esta tesis doctoral propone estudiar térmicamente la superficie de dispositivos o sistemas microelectrónicos mediante un sistema de termografía infrarroja (TIR) por imagen aplicando estrategias de detección lock-in. Cuando se modulan fuentes de calor en frecuencia, la detección lock-in mejora ostensiblemente la sensibilidad del sistema (por debajo de los niveles de ruido de la cámara infrarroja) y, en función del tipo de modulación y su frecuencia, sin influencia alguna de las condiciones de contorno ni de los efectos de “desenfoque” (blurring effects) debidos a la propagación de calor (heat spreading effect). En consecuencia, la monitorización local de fuentes débiles de calor es factible a nivel chip, no tan sólo para realizar análisis de fallos (principal tendencia en el estado del arte), sino que también para la caracterización local eléctrica en frecuencia, extracción de figuras de mérito, o determinación de parámetros físicos de un dispositivo o sistema integrado (novedad propuesta en esta tesis doctoral). Así, se proporciona una alternativa i un enfoque novedoso para la caracterización local a nivel chip. Para llevar a cabo esta investigación, ha sido primordial la comprensión de la física de las medidas realizadas, el diseño e implementación de instrumentación adicional para polarizar eléctrica y térmicamente la muestra, y la puesta a punto de un sistema TIR, optimizando su proceso de adquisición. Para mostrar la potencialidad de la solución propuesta, se han analizado los siguientes casos de estudio: i) caracterización de parásitos de interconexión y de acoplo por sustrato a nivel encapsulado y chip, respectivamente; ii) mecanismos de fallo de diodos de potencia de gap ancho (WBG) bajo condiciones de sobrecarga, iii) estudio local del comportamiento eléctrico anómalo en dispositivos de potencia WBG, iv) caracterización local eléctrica y térmica de amplificadores de potencia para RF y microondas, v) análisis funcional y de consumo sistemas sensores integrados RFID inalámbricos. Las conclusiones de cada estudio han sido proporcionadas a los diseñadores del dispositivo o sistema inspeccionado para mejorar sus prestaciones o robustez. Se ha puesto de manifiesto que la solución propuesta es una herramienta potente e innovadora, no sólo para el análisis de fallos, sino que también para extraer los parámetros físicos locales en dispositivos y caracterizar eléctrica y funcionalmente sistemas microelectrónicos complejos. Además, las metodologías presentadas son extrapolables a otros equipos de medida de temperatura con mayor resolución espacial.

Since the microelectronic revolution, its technological evolution has been aimed at searching for more compact, reliable, and rugged electronic devices or integrated systems, offering as much performances and functionalities as possible at a lower cost. This has not only allowed them to complement or replace in many applications other systems based on mechanic, electromechanic, hydraulic, and pneumatic principles (e.g., communication systems, more electric aircrafts or railway traction), but also has fostered innovating working scenarios (e.g., internet of things or autonomous vehicles) facing societal challenges. However, these targets entailed several consequences in terms of microelectronic devices and systems manufacturability (optimize fabrication process), reliability (virtual prototyping), and testability (system assessment and performance evaluation), in which local functional inspection is crucial and partially ensured by accessing pads. However, local accessibility to the whole die is not possible externally, and has been worsened by the current monolithical integration capabilities, posing new challenges in the reliability and performance assessment at die level. In this scenario, local off-chip characterization with non-invasive spatially-resolved imaging techniques has become one of the most promising solutions. As a solution to such problems in more-than-Moore domain, this work proposes to thermally study the surface of such Microelectronic devices and systems with an imaging infrared thermography (IRT) system by applying lock-in detection strategies. When modulating heat sources in frequency, lock-in detection improves the sensitivity of the IRT system, and depending on the modulation and frequency, allows sensing thermal variations below noise equivalent thermal difference (NETD) limit of the camera, without any influence of boundary conditions and blurring effects due to heat spreading. Consequently, acquired thermal maps make possible locally monitoring weak heat sources not only for failure analysis (mainstream use, state-of-the-art), but also for electrical testing in frequency domain, figures of merit extraction, or device physical parameters determination (novelty of this work). Facing these challenges have supposed understanding the Physics underlying the performed measurements, designing and implementing a thermal and electrical biasing system for the samples, and setting up an Infrared Lock-in Thermography (IR-LIT) system, optimizing the thermal image acquisition procedure. In order to access the potential in the current Microelectronic scenario, the following case studies have been addressed (going from less to more complex situations): i) intradie and packaging parasitic phenomena inspection (parasitics deembedding), ii) wide bandgap (WBG) power devices failure analysis under overload conditions, iii) local abnormal electrical behavior study in WBG power devices , iv) thermal and electrical local testing of microwaves and RF power amplifiers, v) functional and consumption analysis of RFID wireless pad-free sensor systems. When required, the main conclusions of each study have been feedback to design engineers to improve or make more rugged the inspected device or system. As a result, the proposed approach has been assessed and demonstrated as a powerful and innovative tool, not only for failure analysis and electrical parameters extraction in power electronics, but also to perform a deeper behavioral study on more complex microelectronic systems to determine their possible electrical misbehaviors and propose design improvements. Besides, the presented approaches do not reduce to infrared acquisition systems, but also allow being implemented with any thermal monitoring equipment with higher spatial resolution.