Termorreflectancia | Hi Rel Partes Electrónicas

Thermoreflectance, Thermal Imaging as thermal characterization technique for microelectronics

Gradiente de temperatura en circuitos integrados.

Los objetos submicrométricos y nanométricos actualmente presentes en el diseño de circuitos integrados inducen fenómenos de transporte de calor singular que conduce a la formación de puntos calientes o fuertes gradientes de temperatura en puntos locales específicos, lo que compromete el funcionamiento adecuado y la confiabilidad de los sistemas microelectrónicos, y puede potencialmente disminuir toda la vida. La longitud típica de tales singularidades puede alcanzar la escala micro y submicrónica. Por lo tanto, el gradiente de temperatura sobre tales sistemas debe caracterizarse por instrumentos de termografía avanzados con alta resolución espacial.

¿Por qué TTI?

La termorreflectancia de imagen térmica (TTI) es una técnica de microscopía que proporciona un contraste de gradiente de temperatura mediante el análisis de la reflectancia óptica de las superficies inspeccionadas. Entre otros, TTI se emplea para:

• Mapeo térmico 2D.
• Análisis de fallos y pruebas de dispositivos microelectrónicos.
• La visualización de transitorios térmicos de alta velocidad.
• Estudiar la implementación de materiales innovadores.

Las principales características y ventajas de la técnica son:

• Personaje sin contacto.
• Alta resolución espacial (micras y submicrométrica), limitada por el límite de difracción.
• Resoluciones temporales ~ 100µs.
• Detección de temperatura de amplio rango.

¿Cómo funciona?

TTI explota el efecto lineal que tiene la temperatura en la reflectividad de la superficie. (Eq. 1). 

Cambio de la intensidad (reflectividad) debido a la temperatura.

Como se ilustra en la figura, cuando la muestra se irradia, la intensidad del haz reflejado depende de la temperatura local de la zona irradiada. Así, los puntos calientes, como el cuadrado rojo en la figura, aumentan la intensidad del haz reflejado. Por lo tanto, el análisis preciso del haz reflejado en las áreas seleccionadas proporciona un mapa térmico de la superficie del dispositivo.

Aplicaciones prácticas:

Esta técnica de mapeo proporciona información útil sobre el perfil de disipación de energía y los puntos calientes relacionados con el diseño de dispositivos microelectrónicos. Además, también se utiliza para la detección temprana de defectos de diseño, fabricación o materiales en sistemas microelectrónicos.

Imagen óptica y térmica de resistencia de calentamiento.

La figura ilustra la comparación de una imagen óptica y una imagen térmica de cinco rayas (resistencias) resistentes a polisilicio. Gracias a esta técnica es posible obtener el mapa de temperatura situado a la derecha de la imagen. Esta imagen resulta de una acumulación de más de 200 períodos de calentamiento y un tiempo de adquisición total de 1 minuto en la práctica.

Para ilustrar la alta resolución espacial y la detección de puntos calientes micrométricos, la siguiente imagen también muestra el análisis térmico de barras láser de semiconductores de alta potencia. En este caso, se observa claramente un punto caliente micrométrico en la cara de un emisor (x = 225 µm). Esto permitió la detección temprana de la degradación continua del espejo, lo que eventualmente conduce a un fallo catastrófico del daño del espejo óptico.

Appl Phys., 2018; 51: 013001

Imagen térmica de una barra de láser emisor

Las resoluciones espaciales y de temperatura y la sensibilidad alcanzada por las técnicas de termorreflectancia son excelentes, sin embargo, la precisión de las lecturas de temperatura absoluta es más difícil de evaluar debido a la falta de técnicas térmicas comparables con resolución espacial submicrométrica. Por lo tanto, las principales aplicaciones de la técnica en el campo de la microelectrónica, involucran el análisis de los gradientes de temperatura relativa en los dispositivos de superficie y estudios similares, como las aplicaciones de mapeo térmico, estudios de transporte térmico y análisis de puntos calientes.

Por otro lado, gracias a la alta resolución de tiempo, ITT también se utiliza para imágenes térmicas transitorias en dispositivos de conmutación u otros sistemas en funcionamiento por pulsos. Este carácter se usa normalmente para identificar defectos ocultos o ayudar a extraer la red de resistencia térmica / capacitancia en el dispositivo, las regiones circundantes en el sustrato y el paquete.

Proceeding 26th IEEE SEMI-THERM Symposium 978-1-4244-6460-9/10

Imagen de termorreflectancia en el dominio del tiempo de un calentador de oro.

La figura muestra una rápida difusión del calor en el metal del dispositivo en imágenes térmicas a corto y largo plazo de un calentador de oro integrado de 100 micrones que utiliza un promedio de pulsos de vagones. La figura también ilustra cómo se utiliza la técnica para estudiar la transmisión de calor transitoria de la muestra a otros componentes adyacentes.