半導(dǎo)體芯片失效分析微光顯微鏡

原理

微光顯微鏡（Emission Microscope, EMMI）是利用高增益相機(jī)/探測器來檢測由某些半導(dǎo)體器件缺陷/失效發(fā)出的微量光子的一種設(shè)備。

當(dāng)對樣品施加適當(dāng)電壓時(shí)，其失效點(diǎn)會因加速載流子散射或電子-空穴對的復(fù)合而釋放特定波長的光子。這些光子經(jīng)過收集和圖像處理后，就可以得到一張信號圖。撤去對樣品施加的電壓后，再收集一張背景圖，把信號圖和背景圖疊加之后，就可以定位發(fā)光點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對失效點(diǎn)的定位。

半導(dǎo)體芯片失效分析微光顯微鏡

LED燈珠發(fā)光均勻度測試

對于LED光源，特別是白光光源，由于電極設(shè)計(jì)、芯片結(jié)構(gòu)以及熒光粉涂敷方式等影響，其表面的亮度和顏色并不是均勻分布的。實(shí)驗(yàn)室顯微光分布測試系統(tǒng)，方便客戶了解燈珠發(fā)光均勻度性能，認(rèn)清改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向。

如下圖所示，COB燈珠在點(diǎn)亮?xí)r，顯微光分布測試系統(tǒng)測得該燈珠光分布不均，發(fā)光質(zhì)量較差，燈珠右邊區(qū)域亮度相比左邊區(qū)域低30%。分析其原因，燈珠基板的電阻不均勻，導(dǎo)致燈珠左右兩邊的芯片所加載的電壓不一致，造成燈珠左右兩邊芯片的發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)差異。

案例分析三：

某芯片公司需對其芯片產(chǎn)品進(jìn)行光品質(zhì)評估，實(shí)驗(yàn)室在定電流下（30mA、60mA、90mA）對芯片進(jìn)行LED芯片發(fā)光均勻度測試。工程師利用自主研發(fā)的芯片顯微光分布測試系統(tǒng)對客戶送測LED芯片點(diǎn)亮測試。

點(diǎn)亮條件：30mA、60mA、90mA

測試環(huán)境溫度：20~25℃/40~60%RH。

測試結(jié)果見下圖所示，可知在不同電流下，LED芯片發(fā)光分布區(qū)別明顯，其中60mA為廠家推薦使用電流。

在額定電流為60mA測試。通過顯微光分布測試系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)，該芯片在額定電流下工作，芯片是存在發(fā)光不均勻的現(xiàn)象。通過光強(qiáng)標(biāo)尺比較，其負(fù)極附近區(qū)域比正極負(fù)極區(qū)域發(fā)光強(qiáng)度高15%左右。建議針對芯片電極設(shè)計(jì)做適當(dāng)優(yōu)化，以提高發(fā)光效率和產(chǎn)品可靠性。

該芯片不同電流下（30mA、60mA、90mA）都存在發(fā)光不均的現(xiàn)象，芯片正極區(qū)域光強(qiáng)明顯低于負(fù)極區(qū)域光強(qiáng)。通過統(tǒng)一的亮度標(biāo)尺比較，當(dāng)芯片超電流（90mA）使用時(shí)，顯微光分布測試系統(tǒng)測試，我們發(fā)現(xiàn)過多的電流并沒有是芯片更亮，反而亮度減弱。

4.3D圖顯示芯片的出光率、燈珠燈具的光線追跡

關(guān)于芯片的主要研究集中在如何提高內(nèi)外量效率和光提取效率方面，芯片襯底圖形化設(shè)計(jì)、隱形切割工藝等都可以提高芯片光提取效率，然而芯片廠內(nèi)對于光提取效率的測試手段少之又少，顯微光分布軟件3D測試模塊可以觀察芯片各區(qū)域的出光強(qiáng)度，進(jìn)而評估芯片的光提取效率，填補(bǔ)這一空白。

以下為某款倒裝芯片的3D光分布圖，芯片出光面光分布圖表現(xiàn)為凹凸不平的鋸齒狀，這是因?yàn)樵撔酒捎昧藞D形化襯底，改變了全反射光的出射角，增加了該倒裝芯片的光從藍(lán)寶石襯底出射的幾率，從而提高了光的提取效率，使得芯片出光面的出光強(qiáng)度大小不一。

如芯片的側(cè)面光學(xué)圖所示，該芯片采用了多刀隱切工藝，芯片側(cè)面非常粗糙，粗糙界面可以反射芯片側(cè)面出射的光，提高芯片的光提取效率。從該芯片的3D光分布圖中可以直觀的看到，該芯片邊緣出光較多，說明多刀隱切工藝對芯片出光效率的提升顯著。但是，芯片邊緣出光強(qiáng)度并不均勻，表明該多刀隱切工藝仍有優(yōu)化的空間，可以進(jìn)一步提高芯片的光提取效率。

5.LED失效分析

顯微光分布測試系統(tǒng)除了能幫助研發(fā)人員優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，還是用于品質(zhì)分析的神兵利器。光學(xué)性能是LED光源最主要的性能，當(dāng)其出現(xiàn)失效時(shí)，必然會在光學(xué)性能上表現(xiàn)出異常，通過顯微光分布測試系統(tǒng)我們可以輕松的發(fā)現(xiàn)其光學(xué)性能的變化，從而準(zhǔn)確定位失效點(diǎn)，大大提高了客訴時(shí)效性。