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Optris IR Anwendungs-Banner Elektronik MEMS und Mikroprozessoren

Mikrothermografie-Forschung zu MEMS und Mikroprozessoren der nächsten Generation

Hochauflösende thermische Analyse für komplexe ICs und MEMS in der modernen Mikroelektronik

Herausforderung

Miniaturisierte Elektronik und MEMS sind zunehmend von lokaler Überhitzung aufgrund dichter Schaltkreise und geschichteter Gehäusestrukturen betroffen, was die thermische Validierung erschwert. Die nicht-invasive Detektion mikroskopischer Defekte und Hotspots in komplexen Strukturen ist herausfordernd, insbesondere wenn eine Analyse unter der Oberfläche erforderlich ist, ohne empfindliche Komponenten zu beschädigen.

Lösung

Die Infrarot-Mikrothermografie ermöglicht präzise, berührungslose thermische Analysen von Mikroelektronik und macht Oberflächen- und Unterflächentemperaturvariationen in Echtzeit sichtbar. Diese Technik unterstützt Fehleranalysen und Defektlokalisierung mit hoher räumlicher und thermischer Auflösung – auch unter elektrischer Anregung – und gewährleistet thermische Optimierung während aller Entwicklungs- und Validierungsphasen miniaturisierter Komponenten.

Vorteile

  • Visualisiert das thermische Verhalten von MEMS und Mikroelektronik mit mikroskopischer räumlicher Auflösung.
  • Identifiziert thermische Defekte und Hotspots frühzeitig während Entwicklungs- und Validierungsphasen.
  • Unterstützt Echtzeit-, zerstörungsfreie Tests unter elektrischer Anregung oder dynamischer Belastung.
  • Ermöglicht präzise Analyse von Temperaturgradienten in komplexen Gehäusen und IC-Strukturen.
  • Steigert Ausbeute und Zuverlässigkeit durch Vermeidung von Überhitzung und thermisch bedingten Geräteausfällen.

Fortschritte in der Miniaturisierung: Thermische Optimierung für die nächste Generation von Mikroelektronik und MEMS mit Mikrothermografie

Die thermische Optimierung bei der Entwicklung neuer mikroelektronischer Produkte wird zunehmend anspruchsvoller und wichtiger. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) haben ein enormes Anwendungspotenzial in der Nanotechnologie; typische Beispiele sind Positionssensoren in Mobiltelefonen sowie der Einsatz in Airbags, Digitalkameras und Herzschrittmachern. MEMS-Technologie wird zudem zunehmend in miniaturisierten medizinischen Diagnosesystemen genutzt und eröffnet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Gesundheitslösungen. Der Trend zur Miniaturisierung betrifft nicht nur die erforderlichen Systemlösungen, sondern auch die Entwicklung von Sensoren und Steuerelementen. Während komplexe Elektronik weiter schrumpft und zugleich mehr Leistung erbringt, wird ein effektives Temperaturmanagement immer entscheidender.

Moderne Mikroprozessoren mit ihren dicht integrierten Schaltkreisen und Transistoren stehen vor Herausforderungen durch lokale Hotspots, die die Leistung beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen können. Die thermische Validierung ist insbesondere schwierig, wenn Hotspots unter mehreren Metallschichten oder in Flip-Chip-Gehäusen verborgen liegen.

Die Mikrothermografie, die hochpräzise thermische Analysen im Mikrometerbereich ermöglicht, bietet detaillierte Einblicke in die Temperaturverteilung komplexer elektronischer Baugruppen und Komponenten und gewährleistet optimale Leistung und Zuverlässigkeit. Diese fortschrittlichen Wärmebildsysteme erlauben die präzise Analyse der Temperaturverteilung in bestromten Komponenten und identifizieren sowie verfolgen Hotspots im Bildbereich effektiv. Mit dem Fortschritt der Mikroprozessortechnologie, steigender Leistung und sinkenden Chipkosten wächst die Anzahl der Metallschichten, CMOS-Bauelemente und Interconnect-Dichten in integrierten Schaltungen (ICs). Dieser Trend in der Submikron-Technologie erschwert die Defektlokalisierung. Die Infrarotmikroskopie bietet hier große Vorteile, da intrinsisches Silizium bei Wellenlängen oberhalb seiner 1,1-µm-Bandlücke nahezu transparent wird. Obwohl Dotierungen die Absorption erhöhen, wird dieser Effekt erst bei stark dotierten Substraten bedeutend, was die IR-Mikroskopie zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Analyse komplexer elektronischer Strukturen macht.

Traditionell bieten Hochleistungs-Infrarot-Bildgebungssysteme, insbesondere solche, die im mittelwelligen IR-Bereich von 2–5 µm empfindlich sind, eine nicht-invasive, Echtzeit-Visualisierung der thermischen Emissionen aus diesen kritischen Bereichen. Dennoch haben sie mehrere Nachteile, darunter hohe Kosten, große Bauformen, einen erhöhten Stromverbrauch sowie die Notwendigkeit kryogener Kühlsysteme, was die Wartung komplexer macht.

Mikrothermografie-Forschung zu MEMS und Mikroprozessoren der nächsten Generation
Erschwingliche hochpräzise Infrarotmikroskopie entschlüsselt thermischen Fingerabdruck von Mikroprozessoren

Kostengünstige Hochpräzisions-Infrarotmikroskopie entschlüsselt den thermischen Fingerabdruck von Mikroprozessoren

Infrarotmikroskopie, insbesondere mit fortschrittlichen Werkzeugen wie dem PI 640i Infrarot-Mikroskopkit mit 2X Vergrößerung, bietet eine präzise Lösung für Ingenieure, die eine detaillierte thermische Analyse kleiner elektronischer Bauteile oder MEMS benötigen. Dieses Infrarot-Bildgebungssystem ermöglicht Forschungs- und Entwicklungsingenieuren die Visualisierung thermischer Variationen und die präzise Temperaturmessung auf kleinsten Zielbereichen, indem hochauflösende Detektortechnologie genutzt wird, um infrarote Wärmestrahlung auf den Kamerasensor zu fokussieren. Diese Fähigkeit ermöglicht eine zuverlässige und detaillierte thermische Analyse selbst der kleinsten Komponenten und eignet sich ideal für zerstörungsfreie Fehleranalysen an Mikroprozessoren, MEMS, Mikroelektronik und Gehäusesystemen.

Im Gegensatz zu gekühlten Infrarotmikroskopen, die um Größenordnungen teurer sind, arbeitet das PI640i Mikroskop mit 2X Vergrößerung im langwelligen Infrarotbereich von 8–14 µm. Moderne Mikrobolometer, die nicht gekühlt werden müssen, können diesen Wellenlängenbereich detektieren. Dies ermöglicht Ingenieuren den Zugang zu Infrarotbildtechnik mit deutlich geringerem Budget.

Hochauflösende Infrarotkameras wie die PI 640i bieten ein Sichtfeld von 5,4 mm x 4,0 mm und können Temperaturänderungen auf Zielgrößen ab 8 µm (IFOV) detektieren – nahe der Beugungsgrenze bei der genannten Wellenlänge. Kombiniert mit geringem thermischem Rauschen und einer optimalen Pixelpitch-Größe von 17 µm ermöglicht dies geringe Measurement Field of View (MFOV)-Anforderungen von nur 4 x 4 Pixeln. Die PI 640i unterstützt eine Bildfrequenz von 32 Hz im Standardmodus oder 125 Hz im High-Speed-Subframe-Modus, wodurch Ingenieure schnelle thermische Prozesse in Echtzeit überwachen können.

Dieses fortschrittliche, berührungslose thermische Analysesystem erkennt und analysiert zuverlässig selbst kleinste Defekte und thermische Inkonsistenzen und unterstützt hochauflösende Tests und Validierungen moderner Mikroprozessoren, MEMS und anderer miniaturisierter Elektronik.

Fortschrittliche Defekterkennung in der Mikroelektronik mit der Leistungsfähigkeit der Dark Lock-In-Thermografie

Das PI640i Infrarot-Bildgebungssystem weist ein niedriges NETD auf und ist daher äußerst empfindlich gegenüber kleinsten Temperaturvariationen. Das Lock-In-Prinzip, bzw. die Lock-In-Verstärkung, wird genutzt, um nützliche Signale aus einem verrauschten Hintergrund zu extrahieren – insbesondere in Anwendungen, bei denen Spannungen auf das Prüfling (DUT) aufgeprägt werden, um dessen thermische Signatur sichtbar zu machen. In einigen Fällen wird Dark Lock-In Thermography (DLIT) für eine präzisere Defektanalyse eingesetzt. Bei der DLIT wird der DUT an eine Stromversorgung angeschlossen und seine Wärmeemissionen mit einer Infrarotkamera gemessen, um lokal begrenzte Qualitätsprobleme über die Oberflächentemperaturanalyse sichtbar zu machen.

Bei der DLIT wird eine gepulste Spannung auf den DUT aufgebracht, und die resultierenden Temperaturmodulationen werden erfasst. Diese zerstörungsfreie Bildgebungstechnik eignet sich besonders zur Identifizierung und Analyse elektrischer Defekte in mikroelektronischen Bauteilen. DLIT arbeitet durch Modulation der Wärmequellen mit einem periodischen Signal unter angelegter elektrischer Vorspannung, wodurch die IR-Kamera subtile Temperaturoszillationen erfassen kann.

Durch periodisches Einbringen von Wärme in die Probe und Beobachtung des stimulierten Temperaturfeldes der Oberfläche erfasst die Methode sowohl Erwärmungs- als auch Abkühlkurven. Dies wird typischerweise durch Umschalten der Versorgungsspannung oder sinusförmige Modulation erreicht und zeigt lokale Abkühlprozesse nach jedem Erregungspuls. Dieser Ansatz ermöglicht die Detektion von Strukturen unter der Oberfläche und ist besonders wertvoll in Anwendungen wie der Leistungs-Halbleitermontage.

DLIT kann schwache Ströme und feinste thermische Details erkennen und hebt Bereiche hervor, in denen elektrische Imperfektionen – wie übermäßige Rekombination von Ladungsträgern – Wärme erzeugen. Die periodische Modulation erhöht sowohl die Empfindlichkeit als auch die räumliche Auflösung und ermöglicht die Detektion von Temperaturvariationen unterhalb der NETD-Schwelle bis in den Mikrokelvin-Bereich. Diese Fähigkeit macht sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug zur Identifizierung selbst kleinster thermischer Anomalien.

Fortschrittliche Fehlererkennung in der Mikroelektronik mit der Leistungsfähigkeit der Dark-Lock-In-Thermografie

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