利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置及方法

1.本发明涉及芯片温度检测领域，具体为一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置及方法。


背景技术：

2.近年来，随着集成电路的发展，全球芯片市场增长迅速。伴随着芯片的集成化、微型化和民用化，其被广泛应用到各个领域，包括新能源的开发使用、信息通讯设备和人工智能等；但同时，芯片特征尺寸的不断减小对于产品的可靠性有了越来越高的要求。提高产品质量的关键环节在于对芯片的可靠性测试和失效分析。影响芯片工作状态的因素多种多样，一般认为，温度降低10℃，可靠性提高1倍，降低温度对于提升芯片工作系统的可靠性具有重要意义。由此可见，温度作为重要要影响因素之一，在探索温度加速微电子芯片失效方面对于提高芯片可靠性具有重要意义。
3.芯片的可靠性是指在规定条件下，芯片完成规定功能的能力。相关的失效会导致芯片失去工作能力，而失效是由于外部和内部应力作用的结果。从快速失效分析中发现，由于结构设计不当或者静放电产生瞬态高能和电过应力可能引起高温。此外，芯片进一步可以划分为金属化层、氧化层、有源区、有源区—氧化层界面，根据失效位置的不同，芯片主要的失效机理包括热电子、电过应力、静电放电和氧化层击穿等。封装失效一般源于随时间的温度变化量过大和大的温度梯度，受这些因素的作用导致拉伸、压缩、弯曲、疲劳和破裂失效。同时，由于芯片封装结构和材料不同导致系统的热扩散能力有所差异，芯片的温度特性就表现为大的空间温度梯度，从而引起芯片热机械疲劳，导致慢退化。
4.温度与芯片失效机理之间有一定的联系，具体来说，温度应力失效的诱发因素不同，其失效的加速过程也大不相同，对于同样的失效机理，失效的加速过程还与材料及几何形状有关。例如，电迁移失效机理在薄膜中表现为开路，在金属化中表现为层电阻的增大。
5.在多数失效过程中，温度对于失效时间的影响具有确定的关系。当超出芯片规定的工作条件和环境条件时，芯片会丧失原有功能。特别是大部分失效机制都有特定的阈值温度，低于该温度时失效则不会发生，温度应力导致失效的时间远远超过芯片的工作寿命；当温度高于温度阈值，相应的失效机理就成为了主要的失效机理。
6.芯片在长时间和超负荷工作条件下，由于内部器件结构和表面封装等因素的影响，内部温度会不断升高，造成空间温度梯度大范围变化，最终造成芯片失效，从而影响系统正常运作。为了对处于满负荷工作态的芯片进行更可靠的分析和评价，对于芯片内部温度场分布的检测为芯片的设计验证提供了更有效的检测手段。
7.目前，对于温度场的检测主要有有限元分析法，即在建立热传导模型的基础上，分析芯片产生热量以及散热情况，确定内外边界条件；通过有限元分析软件进行热分析，从而得到芯片的温度场分布。但是为了充分了解芯片内部温度的变化，提供芯片失效判定的有效依据，进一步提升芯片的可靠性，还需要对于芯片内部温度进行更精确的检测和优化，以
进一步加深温度对于芯片特性影响的研究，促进芯片内部结构的设计优化和相关耐热材料的研究。


技术实现要素：

8.本发明为了解决芯片内部温度场分布检测的优化的问题，提供了一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置及方法。
9.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置，包括微波信号发生装置、图像传感装置、扫描位移系统、样品放置平台、信号发生系统以及计算机控制系统；所述微波信号发生装置、图像传感装置均与计算机控制系统连接；所述计算机控制系统包括主机、计算机软件界面图像显示部分及外部驱动控制器，所述外部驱动控制器由主机控制；所述图像传感装置由光电转换ccd相机以及计算机软件界面图像显示部分组成，所述光电转换ccd相机与计算机控制系统连接；所述扫描位移系统包括扫描位移粗调装置和扫描位移微调装置两部分，所述扫描位移微调装置位于扫描位移粗调装置上部，所述样品放置平台固定于扫描位移微调装置上部；所述样品放置平台上设有样品固定装置，所述样品固定装置用于固定样品，所述扫描位移微调装置内设有水平传感器；所述扫描位移微调装置与外部驱动控制器连接；所述信号发生系统包括传输线、阻抗匹配部分、谐振腔、内部导体及导体末端针尖—样品模型，所述导体末端针尖—样品模型包括导体末端探针和芯片样品；所述微波信号发生装置包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪与计算机控制系统连接；所述谐振腔通过传输线与矢量网络分析仪连接，所述内部导体固定于谐振腔的前端中心，所述导体末端针尖—样品模型通过导体末端探针与内部导体连接，所述芯片样品位于样品放置平台上且通过样品固定装置固定；所述阻抗匹配部分为传输线的一部分，所述光电转换ccd相机位于导体末端针尖—样品模型的侧面位置。
10.本发明所设计的利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置，利用微波扫描系统对芯片内部温度场分布进行测定的方法，利用微波的趋肤效应以及与芯片内部相互作用，通过微波辐射参数对温度场分布进行表征。该装置主要包括微波信号发生装置、图像传感装置、扫描位移系统、样品放置平台、信号发生系统以及计算机控制系统。微波信号发生装置、图像传感装置均与计算机控制系统连接；计算机控制系统包括主机、计算机软件界面图像显示部分及外部驱动控制器，外部驱动控制器由主机控制。扫描位移系统涉及三维运动（x轴、y轴、z轴）以及自转运动，三维运动用于实现对样品待测区域的精确放置，自转部分通过与微调部分的结合，针对不同形状的样品实现扫描路径的多样化，扫描位移系统主要包括扫描位移粗调装置和扫描位移微调装置两部分，粗调装置用于上下移动样品放置平台，使样品能够以可见的距离接近针尖，扫描位移微调装置位于扫描位移粗调装置上部，样品放置平台固定于扫描位移微调装置上部，微调装置由外部驱动控制器控制，也就是由计算机控制，这样微调装置就可以带着样品放置平台进行微移；样品放置平台上设有用于固定样品的样品固定装置，扫描位移微调装置内设有水平传感器，可以使样品放置平台和样品保持水平，避免造成样品的倾斜。图像传感装置由光电转换ccd相机以及计算机软件界面图像显示部分组成，光电转换ccd相机与计算机控制系统连接，光电转换ccd相机位于导体末端针尖—样品模型的侧面位置，使针尖—样品部分可视化，图像传感装置一方面用于对样品位置放置是否准确进行判定，另一方面对于扫描过程中针尖与样品的距离进行判
定，同时，能够在针尖磨损以及发生弯曲变形的情况下及时更换探针，保证针尖处于安全工作状态，避免影响检测结果，并且该部分还连接至计算机，可以实时显示。微波信号产生装置主要包括矢量网络分析仪，矢量网络分析仪与计算机控制系统连接，其工作原理为：由矢量网络分析仪发射微波以及对反射波进行收集处理，得到相关s参数；微波信号在进行阻抗匹配的条件下，作用在信号发生系统中的针尖
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样品模型，产生反射波，利用矢量网络分析仪实现对于回波的解算。扫描位移系统信号发生系统与微波信号发生装置配合使用，扫描位移系统信号发生系统包括传输线、阻抗匹配部分、谐振腔、内部导体及导体末端针尖—样品模型，导体末端针尖—样品模型包括导体末端探针和芯片样品；谐振腔通过传输线与矢量网络分析仪连接，内部导体固定于谐振腔的前端中心，导体末端针尖—样品模型通过导体末端探针与内部导体连接，芯片样品位于样品放置平台上且通过样品固定装置固定；阻抗匹配部分为传输线的一部分，传输线采用阻抗匹配部分可以实现大功率传输；微波传输至针尖在样品表面发生入射和反射，反射信号传回至分析仪，由此产生回波损耗，并由计算机进行数据采集处理。光电转换ccd相机位于导体末端针尖—样品模型的侧面位置。
11.上述利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置对应的检测方法，包括如下步骤：
①
搭建上述检测装置系统；
②
将芯片样品固定于样品放置平台上，并通过样品固定装置固定，通过扫描位移粗调装置使芯片样品中心与导体末端探针的针尖保持在同一中心线上，计算机控制系统通过程序驱动外部驱动控制器，使其带动扫描位移微调装置将芯片样品调节至合适位置，并且通过水平传感器使芯片样品保持处于水平状态；取与芯片样品相匹配的导体末端探针，使其与芯片样品接触，光电转换ccd相机采集针尖—样品图像传回至计算机控制系统，且继续通过程序驱动外部驱动控制器调节扫描位移微调装置，实现样品初始位置的精确放置；在此过程中，谐振腔和内部导体以及导体末端探针固定不动；
③
在对芯片样品进行扫描之前进行参数的设定，通过矢量网络分析仪产生的微波与芯片样品间相互作用，找到合适的共振频率，即共振频率点的回波损耗值为曲线的最大值；通过计算机软件程序对仪器参数进行设定，包括扫描点数、扫描频率；
④
扫描路径的设定：根据不同形状的芯片样品，设定相应的扫描路径和检测区域，通过计算机程序参数设定，控制扫描位移微调装置满足不同检测路径的需求，所述参数设定包括x轴和y轴方向上的步进数、自转运动偏转角度；
⑤
在微波扫描系统的反射模式下，矢量网络分析仪通过导体末端探针尖端发送入射微波信号，同时，在计算机控制程序下外部驱动控制器驱动样品放置平台按扫描路径连续运动；根据针尖与样品界面的阻抗，部分微波信号被反射，矢量网络分析仪接受之后分析产生的回波损耗参数，以此达到对样品不同区域的检测；在与计算机建立通信基础上进行数据采集，进行数据处理后得到关于芯片内部温度场分布。
12.优选的，所述矢量网络分析仪的工作频带为1
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20ghz。
13.优选的，所述阻抗匹配部分采用标准50ω传输线，实现最大功率传输。
14.优选的，所述扫描位移微调装置由压电位移器完成。
15.优选的，针对不同材料、不同尺寸以及不同结构的芯片，在信号发生系统的导体末端探针，针尖到芯片的距离、针尖尖端半径大小及探针材料都与芯片样品相适应。
16.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置及方法，利用电磁场和温度场之间的关系，且扫描微波检测技术作为一种非破坏性检测技术，在频率带宽为1
‑
20ghz的工作范围下，允许调谐测量频率，通过针尖微波与样品的相互作用，表征样品的特性；系统采用复阻抗反射测量的工作模式，对芯片进行步进扫描，获得回波损耗参数，间接定性表征芯片处于工作状态时的内部温度场分布；优化了对于芯片温度场分布检测的方法。
附图说明
17.图1为本发明中一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置搭建结构示意图。
18.图2为本发明在程序设定下针对于不同形状的样品所采取的一种扫描路径示意例图。
19.图3为本发明具体实施例中的一种扫描路径示意图。
20.图4为本发明的另一种扫描路径示意例图。
21.图5为本发明的样品放置平台的结构示意图。
22.图中标记如下：1、矢量网络分析仪；2、传输线阻抗匹配；3、光电转换ccd相机；4、谐振腔；5、内部导体探针针尖；6、芯片样品；7、样品放置平台；8、扫描位移微调装置；9、扫描位移粗调装置；10、外部驱动控制器；11、计算机控制系统。
具体实施方式
23.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
24.一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置，如图1所示：包括微波信号发生装置、图像传感装置、扫描位移系统、样品放置平台7、信号发生系统以及计算机控制系统11；所述微波信号发生装置、图像传感装置均与计算机控制系统11连接；所述计算机控制系统11包括主机、计算机软件界面图像显示部分及外部驱动控制器10，所述外部驱动控制器10由主机控制；所述图像传感装置由光电转换ccd相机3以及计算机软件界面图像显示部分组成，所述光电转换ccd相机3与计算机控制系统11连接；所述扫描位移系统包括扫描位移粗调装置9和扫描位移微调装置8两部分，所述扫描位移微调装置8位于扫描位移粗调装置9上部，所述样品放置平台7固定于扫描位移微调装置8上部；所述样品放置平台7上设有样品固定装置，所述样品固定装置用于固定样品，所述扫描位移微调装置8内设有水平传感器；所述扫描位移微调装置8与外部驱动控制器10连接；所述信号发生系统包括传输线2、阻抗匹配部分201、谐振腔4、内部导体5及导体末端针尖—样品模型6，所述导体末端针尖—样品模型6包括导体末端探针601和芯片样品602；所述微波信号发生装置包括矢量网络分析仪1，所述矢量网络分析仪1与计算机控制系统11连接；所述谐振腔4通过传输线2与矢量网络分析仪1连接，所述内部导体5固定于谐振腔4的前端中心，所述导体末端针尖—样品模型6通过导体末端探针601与内部导体5连接，所述芯片样品602位于样品放置平台7上且通过样品固定装置固定；所述阻抗匹配部分201为传输线2的一部分，所述光电转换ccd相机3位于导体末端针尖—样品模型6的侧面位置。
25.本实施例中，所述矢量网络分析仪1的工作频带为1
‑
20ghz；所述阻抗匹配部分201
采用标准50ω传输线；所述扫描位移微调装置8由压电位移器完成；针对不同材料、不同尺寸以及不同结构的芯片，在信号发生系统的导体末端探针601，针尖到芯片的距离、针尖尖端半径大小及探针材料都与芯片样品602相适应。
26.上述一种利用扫描微波检测工作中的芯片内部温度场分布的装置的检测方法，包括如下步骤：
①
搭建上述检测装置系统；
②
将芯片样品602固定于样品放置平台7上，并通过样品固定装置固定，通过扫描位移粗调装置9使芯片样品602中心与导体末端探针601的针尖保持在同一中心线上，计算机控制系统11通过程序驱动外部驱动控制器10，使其带动扫描位移微调装置8将芯片样品602调节至合适位置，并且通过水平传感器使芯片样品602保持处于水平状态；取与芯片样品602相匹配的导体末端探针601，使其与芯片样品602接触，光电转换ccd相机3采集针尖—样品图像传回至计算机控制系统11，且继续通过程序驱动外部驱动控制器10调节扫描位移微调装置8，实现样品初始位置的精确放置；在此过程中，谐振腔4和内部导体5以及导体末端探针601固定不动；
③
在对芯片样品602进行扫描之前进行参数的设定，通过矢量网络分析仪1产生的微波与芯片样品602间相互作用，找到合适的共振频率，即共振频率点的回波损耗值为曲线的最大值；通过计算机软件程序对仪器参数进行设定，包括扫描点数、扫描频率；
④
扫描路径的设定：根据不同形状的芯片样品602，设定相应的扫描路径和检测区域，通过计算机程序参数设定，本实施例中，设定的扫描路径如图3所示，在计算机程序界面，对在x轴方向上的步进扫描点进行设定，到达位置2后；利用装置中的自转运动实现一定角度的偏转，并在此时位置2的x轴方向上设定步进数，到达位置3；利用同样的方式抵达位置4；重复之前的过程实现如图所示的扫描路径；控制扫描位移微调装置8满足上述路径需求，所述参数设定包括x轴和y轴方向上的步进数、自转运动偏转角度；
⑤
在微波扫描系统的反射模式下，矢量网络分析仪1通过导体末端探针601尖端发送入射微波信号，同时，在计算机控制程序下外部驱动控制器10驱动样品放置平台7按扫描路径连续运动；根据针尖与样品界面的阻抗，部分微波信号被反射，矢量网络分析仪1接受之后分析产生的回波损耗参数，以此达到对样品不同区域的检测；在与计算机建立通信基础上进行数据采集，进行数据处理后得到关于芯片内部温度场分布。
27.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，只要在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。