随着器件尺寸的不断缩小以及复杂三维结构的广泛应用，逻辑电路的热分析变得日益复杂。与此同时，理解并解决热问题对于确保器件的长期可靠性变得尤为重要。

器件尺寸缩小使得响应时间大幅缩短，对瞬态变化的敏感性也显著增加。由于电路设计余量紧凑，一个异常的功能或电路中其他参数的微小变化引起的时序扰动，可能会引发非常小的局部热点。反射率热成像技术为检测和分析亚微米尺度的热点提供了有效的方法，结合瞬态分析能力，可以捕捉到纳秒级时间分辨率的热行为。

本文重点讨论瞬态热分析，它能实现极高的空间分辨率与时间分辨率，并通过器件测试案例，展示瞬态热成像结果。

反射率热成像技术概述

反射率热成像技术基于一个原理：材料表面的反射率与其温度密切相关。通过选择适当的可见光照明波长，可以实现亚微米尺度的空间分辨率。

 

瞬态热成像

瞬态热成像是Microsanj Nanotherm系列产品的标准功能之一。在测试过程中，通过在低占空比下向被测器件施加脉冲激励，热量会集中于器件的激活区域，而非周围的基板。这种方法相比稳态热成像，能够更有效地检测和观察局部热点。它还能检测IC中多个元件的瞬态热行为。分析热瞬态变化对于预测复杂逻辑电路的性能和可靠性至关重要。

Nanotherm系列硬件组件，包括瞬态成像模块和高速信号发生器，提供了全面的瞬态测试功能。图1展示了瞬态测试的时序关系，其中包括：

01 DUT电压：给器件施加脉冲激励

02 CCD曝光

03 LED脉冲：施加到LED光源上的脉冲

04 器件温度：由DUT温度变化引起的反射率变化

器件激励开始与LED脉冲之间的延迟时间会改变，形成器件温度随时间变化的函数关系。

 

Nanotherm系列瞬态成像模块中可以设置瞬态分析参数，具体包括：

-施加到DUT的激励脉宽和占空比。该值通常设定为足够高，以使DUT达到最大温度，同时又足够低，使器件在脉冲间能冷却到环境温度。占空比范围一般在25%到35%之间。

-LED脉冲宽度决定了热成像图的平均时间，在案例中为100微秒。

-施加到LED和DUT上的信号周期。

 

图1展示了热信号，表示DUT上观察位置的温度随施加的偏置脉冲变化而升高或下降。如图所示，器件温度从施加偏置脉冲的同时开始上升。对于靠近表面加热的情况，温度上升符合预期。如果观测到的发热相对于施加的偏置脉冲存在延迟，可能表明加热发生在多层器件的底层。

 

图1：瞬态测试原理

逻辑电路的瞬态热成像案例

我们来看对高速逻辑电路进行瞬态热分析的测试案例。

该芯片未封装，尺寸为1.6mm x 1.1mm，厚度为500μm。芯片通过引线键合方式从顶部进行热成像。图2显示了芯片的光学图像。

 

图2 逻辑电路的光学成像(DUT)

 

图3为四个不同加热时间（从0.5毫秒到3.0毫秒）下的瞬态热成像图。施加偏置脉冲后，芯片左侧几乎立即开始发热（图3a），并在约0.9毫秒时达到峰值（图3b）。到0.95毫秒时，芯片上部位置的另一区域开始发热（图3c）；在3.0毫秒时，芯片左侧已冷却，中央偏右侧又出现一个新的热点（图3d）。
 

图3 瞬态热成像图

根据电路设计，最初器件左侧的发热是预期之内的，而在3毫秒时出现的发热则在意料之外，与闩锁效应有关。该位置在下图的3D温度图中圆圈标出。
 

图4 3ms时的3D温度图

如果没有进行瞬态热分析，工程师可能无法发现这些随时间变化的热行为。一旦发现后，工程师可以评估这些热问题，确定其对器件性能和可靠性的影响。有些问题可能并不会对器件产生严重影响，有些则可能导致早期失效。

 

结论

分析和理解复杂高速逻辑电路随时间变化的热行为，对于确保器件的最佳性能和长期稳定性至关重要。

SanjSCOPE热成像系统结合了亚微米空间分辨率的反射率热成像与高速瞬态测试能力，为电路设计师提供了必要的热学信息，从而实现器件性能与可靠性之间的最佳平衡。此外，SanjSCOPE还为制造和质量保证团队提供了一种非破坏性的热成像工具，用于监控制造过程，筛查潜在的早期失效风险。

关于上海坤道

上海坤道信息技术有限公司成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌和专家级（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD、Flotherm Flexx、Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、硬件定制开发和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。

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