航天產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命取決于產(chǎn)品設計、研制生產(chǎn)和試驗測試全流程的可靠性，而集成電路安全可靠是航天電子系統(tǒng)在軌穩(wěn)定工作的基礎。現(xiàn)代集成電路制造流程中，工藝制造和設計環(huán)節(jié)均可引入芯片缺陷，在使用過程中可導致失效等。隨著芯片集成度的提高，芯片正面的金屬互連層不斷增加，倒封裝工藝得到廣泛應用，從芯片正面定位缺陷位置變得愈發(fā)困難。目前，利用激光從背部開封裝的芯片進行的非接觸式無損缺陷定位技術(shù)，在集成電路靜態(tài)/動態(tài)缺陷定位領域得到廣泛應用。熱激光定位（TLS）和電光頻率映射（EOFM）是兩種典型的非接觸式缺陷定位技術(shù)。TLS利用激光熱效應對半導體器件材料進行局部加熱，改變其電阻特性，實現(xiàn)靜態(tài)缺陷定位。EOFM利用器件內(nèi)部處于不同動態(tài)工作狀態(tài)晶體管與入射激光的電光調(diào)制效應，通過接收反射光信號對電路進行頻域圖像分析，實現(xiàn)動態(tài)缺陷定位。隨著集成電路工藝的飛速進步，對缺陷分析定位的速度和靈敏度要求不斷提升，相應的TLS和EOFM理論模型和技術(shù)手段需要不斷優(yōu)化發(fā)展，亟須發(fā)展該領域自主可控的測試裝置。
中國科學院國家空間科學中心復雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)院重點實驗室空間環(huán)境效應研究室致力于激光與集成電路相互作用機制和試驗測試技術(shù)研究。2006年，空間中心自主研制了國內(nèi)首臺單粒子效應納秒脈沖激光模擬裝置；其后，研制了皮秒脈沖和飛秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置，其性能和功能參數(shù)均已達到國際先進水平。在此研究基礎上，研究團隊針對TLS研究提出了全新的綜合理論模型，并依據(jù)此模型自主搭建了激光熱激發(fā)定位集成電路缺陷裝備，定位精度為0.5μm。圖1是激光熱激發(fā)缺陷定位裝備原理結(jié)構(gòu)圖，圖2是利用自主研發(fā)的激光熱激發(fā)缺陷定位裝備對一款單片機芯片的故障點定位結(jié)果。相關研究成果發(fā)表在Applied Sciences上。
在傳統(tǒng)的EOFM技術(shù)基礎上，科研團隊提出了一種新的基于同軸顯微鏡的定位集成電路內(nèi)部功能單元的頻率映射方法，自主搭建了集成電路缺陷檢測電光探針測試裝備，如圖3所示。目標電路以設定工作頻率工作，通過分析反射激光的頻率特性，準確定位目標電路功能區(qū)域及可能的缺陷位置。研究提出的同軸顯微鏡設計提供了良好的光斑質(zhì)量和信噪比，可定位工作電流低至10
-10
A的芯片內(nèi)部工作區(qū)域，圖4為針對某電路功能單元的定位結(jié)果，而相同功能的光發(fā)射顯微鏡只能定位該芯片5×10
-4
A的工作區(qū)域。此外，研究團隊依托自主研發(fā)的電光探針測試裝備，探究器件電光信號的產(chǎn)生機制并提出一個理論模型，可精確計算器件內(nèi)部節(jié)點的電壓信息（圖5），模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好。相關研究成果發(fā)表在Electronics Letters和Applied Sciences上。
圖1.激光熱激發(fā)缺陷定位裝備原理圖
圖2.利用激光熱激發(fā)缺陷定位裝備定位的某單片機失效點（a）背部紅外相機成像示意圖（b）失效點的具體位置（c）掃描過程中電流的變化情況
圖3.集成電路缺陷檢測電光探針測試系統(tǒng)
圖4.a、某器件發(fā)送電路定位結(jié)果，b、某器件接收電路定位結(jié)果
圖5.芯片內(nèi)部節(jié)點工作電壓試驗測試和計算結(jié)果
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