空间中心科研人员成功自主研发出集成电路缺陷激光定位装置

航天产品的质量和寿命取决于产品设计、研制生产和试验测试全流程的可靠性，而集成电路安全可靠是航天电子系统在轨稳定工作的基础。现代集成电路制造流程中，工艺制造和设计环节均可引入芯片缺陷，在使用过程中可导致失效等。随着芯片集成度的提高,芯片正面的金属互连层不断增加，倒封装工艺得到广泛应用，从芯片正面定位缺陷位置变得愈发困难。利用激光从背部开封装的芯片进行的非接触式无损缺陷定位技术，目前在集成电路静态/动态缺陷定位领域得到广泛应用。热激光定位(TLS)和电光频率映射(EOFM)是两种典型的非接触式缺陷定位技术。TLS利用激光热效应对半导体器件材料进行局部加热，改变其电阻特性，实现静态缺陷定位。EOFM利用器件内部处于不同动态工作状态晶体管与入射激光的电光调制效应，通过接收反射光信号对电路进行频域图像分析，实现动态缺陷定位。随着集成电路工艺的飞速进步，对缺陷分析定位的速度和灵敏度要求不断提升，相应的TLS和EOFM理论模型和技术手段需要不断优化发展，我国亟需发展该领域自主可控的测试装置。

空间中心复杂航天系统电子信息技术院重点实验室空间环境效应研究室长期从事激光与集成电路相互作用机制和试验测试技术研究。2006年自主研制了国内首台单粒子效应纳秒脉冲激光模拟装置。其后，又研制了皮秒脉冲和飞秒脉冲激光单粒子效应试验装置，其性能和功能参数均已达到国际先进水平。在此研究基础上，研究团队针对TLS 研究提出了全新的综合理论模型，并依据此模型自主搭建了激光热激发定位集成电路缺陷装备，定位精度为0.5μm。图1是激光热激发缺陷定位装备原理结构图，图2是利用自主研发的激光热激发缺陷定位装备对一款单片机芯片的故障点定位结果。相关成果已发表于国际刊物Applied Sciences上。

图1：激光热激发缺陷定位装备原理图

图2：利用激光热激发缺陷定位装备定位的某单片机失效点(a) 背部红外相机成像示意图(b) 失效点的具体位置(c) 扫描过程中电流的变化情况

在传统的EOFM技术基础上，研究团队提出了一种新的基于同轴显微镜的定位集成电路内部功能单元的频率映射方法，自主搭建了集成电路缺陷检测电光探针测试装备，如图3所示。目标电路以设定工作频率工作，通过分析反射激光的频率特性，准确定位目标电路功能区域及可能的缺陷位置。提出的同轴显微镜设计提供了良好的光斑质量和信噪比，可定位工作电流低至10-10A的芯片内部工作区域，图4为针对某电路功能单元的定位结果，而相同功能的光发射显微镜只能定位该芯片5×10-4A的工作区域。研究团队依托自主研发的电光探针测试装备，还研究了器件电光信号的产生机制并提出一个理论模型，可精确计算器件内部节点的电压信息（图5），模型计算结果和试验结果吻合较好。相关成果已发表于国际刊物Electronics Letters和Applied Sciences上。

图3：集成电路缺陷检测电光探针测试系统

图4：a.某器件发送电路定位结果b.某器件接收电路定位结果

图5：芯片内部节点工作电压试验测试和计算结果

论文链接

[1] https://www.mdpi.com/2076-3417/10/23/8576（H. Yang, R. Chen, J. Han, Y. Liang, Y. Ma, and H. Wu, "Preliminary Study on the Model of Thermal Laser Stimulation for Defect Localization in Integrated Circuits," Applied Sciences 10, 8576 (2020).）

[2] https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1049/ell2.12373（P. Liu, J. Han, Y. Ma, F. Zhang, Z. Wu, X. Zhu, and Y. Cui, "A frequency mapping method for locating functional units inside ICs based on coaxial microscope," Electronics Letters 58, 115-117 (2022).）

[3] https://www.mdpi.com/2076-3417/12/3/1188/htm（P. Liu, Y. Ma, and J. Han, "Preliminary Study on Detecting the Internal Voltage Values of Integrated Circuits Based on Electro-Optical Frequency Mapping," Applied Sciences 12, 1188 (2022).）