半導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/探測器來檢測由某些半導體器件缺陷/失效發出的微量光子的一種設備。

當對樣品施加適當電壓時，其失效點會因加速載流子散射或電子-空穴對的復合而釋放特定波長的光子。這些光子經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，就可以定位發光點的位置，從而實現對失效點的定位。

半導體芯片失效分析微光顯微鏡

LED燈珠發光均勻度測試

對于LED光源，特別是白光光源，由于電極設計、芯片結構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。實驗室顯微光分布測試系統，方便客戶了解燈珠發光均勻度性能，認清改進設計的方向。

如下圖所示，COB燈珠在點亮時，顯微光分布測試系統測得該燈珠光分布不均，發光質量較差，燈珠右邊區域亮度相比左邊區域低30%。分析其原因，燈珠基板的電阻不均勻，導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光強度出現差異。

案例分析三：

某芯片公司需對其芯片產品進行光品質評估，實驗室在定電流下（30mA、60mA、90mA）對芯片進行LED芯片發光均勻度測試。工程師利用自主研發的芯片顯微光分布測試系統對客戶送測LED芯片點亮測試。

點亮條件：30mA、60mA、90mA

測試環境溫度：20~25℃/40~60%RH。

測試結果見下圖所示，可知在不同電流下，LED芯片發光分布區別明顯，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測試發現，該芯片在額定電流下工作，芯片是存在發光不均勻的現象。通過光強標尺比較，其負極附近區域比正極負極區域發光強度高15%左右。建議針對芯片電極設計做適當優化，以提高發光效率和產品可靠性。

該芯片不同電流下（30mA、60mA、90mA）都存在發光不均的現象，芯片正極區域光強明顯低于負極區域光強。通過統一的亮度標尺比較，當芯片超電流（90mA）使用時，顯微光分布測試系統測試，我們發現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

關于芯片的主要研究集中在如何提高內外量效率和光提取效率方面，芯片襯底圖形化設計、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域的出光強度，進而評估芯片的光提取效率，填補這一空白。

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為凹凸不平的鋸齒狀，這是因為該芯片采用了圖形化襯底，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度大小不一。

如芯片的側面光學圖所示，該芯片采用了多刀隱切工藝，芯片側面非常粗糙，粗糙界面可以反射芯片側面出射的光，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，芯片邊緣出光強度并不均勻，表明該多刀隱切工藝仍有優化的空間，可以進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除了能幫助研發人員優化芯片設計，還是用于品質分析的神兵利器。光學性能是LED光源最主要的性能，當其出現失效時，必然會在光學性能上表現出異常，通過顯微光分布測試系統我們可以輕松的發現其光學性能的變化，從而準確定位失效點，大大提高了客訴時效性。