时域分析系统

1、前言随着半导体封装变得更小、集成度更高，使用非破坏性、高分辨率技术定位故障的能力变得越来越重要。对失效分析手段提出了挑战，故障高分辨率定位能力的需求逐渐增大。为满足这些要求，Advantest开发了TS9001TDR方案，该系统分析通过利用专有的短脉冲信号处理技术进行高分辨率时域反射测量（Time Domain Reflectometry, TDR），对先进半导体封装、电子元件和印刷电路板中的导线故障区域进行快速、高精度和无损分析。 2、主要应用以3D集成电路为代表的高密度集成电路中存在着无限小的布线结构，布线故障在封装、印刷电路板封装过程中频繁出现。检测故障点需要几十微米分辨率。由于上升时间（约20ps）和抖动（约1ps）的限制，传统示波器TDR方法的故障距离分辨率仍保持数百微米的分辨率。使用TS9001TDR系统可以准确分析各种尖端半导体封装的布线质量，如倒装芯片BGA、晶圆级封装和2.5D/3D IC封装，能够直接连接客户的射频探测系统，针对其设备形状和故障分析环境，实现高速、高分辨率的测量，提供灵活的解决方案。（1） 高度集成的集成电路封装故障分析1) 封装引线故障分析：确定引线故障点位于Si Interposer内还是封装内，识别故障是由预处理还是后处理中的因素引起的2) C4 Bump故障分析：利用测试回路确定和分析安装Si Interposer的条件，对测试回路的菊花链结构进行故障点分析，并对安装条件进行反馈3) TSV、Micro-Bump故障分析：识别层压芯片的故障层4) 印刷电路板PCB故障分析：识别PCB板中通孔和信号线的故障点3、原理与优势（1）原理与技术太赫兹脉冲时域反射计的原理参见上图。其利用两个的飞秒激光器分别泵浦光电导电线，产生高频的太赫兹脉冲信号。飞秒激光器的中心波长1550nm，脉冲宽度50fs。其中，一个飞秒激光器的重复频率50MHz，另一个激光器的重复频率稍有区别。采用两个激光器的重复频率稍有差别的缘由在于，利用两个激光器的差频延迟，可以实现高频太赫兹信号的产生和探测。其工作是高频太赫兹信号通过探针接触芯片的管脚，高频太赫兹信号在芯片封装的引线中传播。当芯片封装没有开断路时，高频太赫兹沿着引线向前传播；当芯片封装的引线等出现开路时，将反射回正峰脉冲信号；当芯片封装引线出现短路时，将反射回负峰脉冲信号。（2）技术优势为了识别故障点，常用的封装无损检测方法包括光发射显微镜(emission microscope)和示波器时域反射计(Time domain Reflectometry, TDR)等，但是这些无损检测方法受到时域信号抖动的限制（信号抖动约1ps），导致分辨率不高，不能定位微米级的失效位置，无法以高分辨率检测开路、短路故障。故亟需高分辨率时域反射计，以提供快速且精准的失效定位。Advantest通过独有的光学采样和电短脉冲生成技术，借助飞秒激光技术，产生抖动小于30fs的超短采样脉冲。可以实现5μm的故障定位分辨率。通过使用自动探针的自动触地功能，进行精确的可重复测量，具有更高精度和效率的故障位置测量。TS9001TDR系统通过自动探针和与CAD设计联动，实例分析芯片封装的引线开路和短路故障定位，可以直观快速定位芯片封装的故障点，实现先进封装的失效分析。4、国内外发展现状Advantest的TS9001TDR系统中采用两个超短脉冲激光器异步采样，采取异步采样技术可以使系统不再需要机械式的光学延迟线，并且具有超高速的信号扫描速度。是目前全球独一的技术，目前国内外没有同类设备。5、发展趋势随着晶圆代工制程不断缩小，摩尔定律逼近极限，先进封装是后摩尔时代的必然选择，3D封装迅猛发展。作为一种全新的实现定位方法，在未来的几年里，太赫兹TDR技术将继续保持高速发展的势头。随着关键技术的不断发展，相关产品的种类将越来越丰富，行业应用和相关配套服务也将越来越广泛。搭载脉冲电磁波产生和高速采样的超短脉冲光纤激光器的太赫兹TDR设备，有助于半导体3D封装的故障分析。 6、总结与展望 在实际芯片测量过程中，太赫兹脉冲信号耦合至芯片内部衰减较为严重，对于太赫兹脉冲的信噪比提出了很高的要求。为了进一步提高测量精度和芯片内的传输路径，提高信噪比是亟需攻克的问题。另外芯片内部的引线存在阻抗不匹配又没有完全开路的情况，对于这类Soft Open的芯片检测，TDR波形分析需要结合信号模拟仿真，增强对信号的解读。对于材料的吸收系数、折射率、介电常数等光谱特性，可以用太赫兹时域光谱仪表征，这也是爱德万测试太赫兹技术的核心应用。目前爱德万测试已经有太赫兹时域光谱成像系统，通过发射和接收时域太赫兹信号至样品，可以实现生物医学样品、食品农产品、化学品、复合材料、通讯材料等的光谱特性表征。（爱德万测试(中国)管理有限公司 供稿）

3月13日，大恒新纪元科技股份有限公司（简称“大恒科技”）宣布，由公司牵头承担的国家重大科学仪器开发专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目进展顺利，进度和成果产出达到任务书要求的考核指标，顺利通过综合验收。“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目概述项目编号：2012YQ140005；项目组织单位：北京市科学技术委员会；项目牵头单位：大恒新纪元科技股份有限公司；项目第一技术支撑单位：首都师范大学；项目协作单位：北京大学、南京大学、中国科学院电子学研究所、上海理工大学、北京理工大学、清华大学、中国农业大学、北京农产品质量检测与农田环境检测技术研究中心、中央民族大学、北京中医药大学东直门医院、中国石油大学（北京）、东莞理工学院、中国科学院半导体研究所；项目起止年限：2012年10月至2017年9月；项目总体目标： 攻克太赫兹源、探测器等模块联用和集成关键技术，研发纳米金属薄膜宽频谱太赫兹源、Nb5N6超薄膜的室温太赫兹探测等关键部件，开发仪器操作平台软件与谱解析系统软件，通过系统集成和工程化开发，研发出性能稳定、质量可靠的基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪；通过在食品安全检测、药品分析、临床 检测、油气分析等领域中的应用开发，丰富太赫兹时域光谱仪的测试应用功能， 并在材料无损检测、环境监测等领域推广。该项目国家给予重大科学仪器设备开发专项资金人民币6,780万元，分阶段拨付，由牵头单位、第一技术支撑单位和协作单位共同使用。“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目验收情况该项目主要针对太赫兹时域光谱仪及各个关键模块进行了研究和开发，先后开发出具有自主知识产权的超快激光器、太赫兹源、太赫兹探测器等一系列核心产品，形成了四款各具特色的太赫兹时域光谱仪，打破了国外太赫兹技术在国内的价格垄断地位，具有较强的市场竞争力。目前太赫兹光谱仪已经在无损检测形成销售，该项目还在食品安全、民族医药、肾病检测、石油勘探、半导体材料等五个领域进行太赫兹的示范应用研究，进一步拓展了太赫兹时域光谱仪的应用，为太赫兹技术的产业化奠定了基础。关于大恒新纪元科技股份有限公司大恒科技于1998年12月14日注册成立，原名新纪元物产股份有限公司，1999年9月9 日更名为大恒新纪元科技股份有限公司；于2000 年11月29日在上海证券交易所上市（600288）。公司主营业务为光机电一体化产品、信息技术及办公自动化产品、数字电视网络编辑及播放系统、半导体元器件。据大恒科技业绩报告，2019年度实现营业收入33.06亿元，归属于上市公司股东的净利润7,308.76万元；2020上半年公司实现营业收入8.74亿元，实现归属于上市公司股东的净利润-2,201.73万元。

p 　　上海光机所信息光学与光电技术实验室周常河课题组近期将双目测量和时域散斑技术相结合，应用于300mm口径大尺寸透镜毛坯测量，成功重建出透镜毛坯表面的三维形貌。该方法实现了大尺寸透镜的快速、低成本测量，相关成果发表在[Optics Express 27,10898(2019)]上。 /p p 　　大尺寸光学元件，尤其是非球面元件，被广泛运用在大型激光装置，例如“神光”II综合实验激光装置中。在元件的生产过程中，表面检测至关重要。在透镜毛坯的粗研磨阶段，主要检测设备是三坐标测量机。三坐标测量机的测量精度很高，但是这种逐点测量方式的效率低，尤其是在测量大尺寸(例如米级)透镜毛坯时，大型三坐标测量机价格昂贵，且不易移动，不便于使用。 /p p 　　该课题组提出，用双目光学三维测量方法重建透镜粗毛坯的表面。双目视觉原理类似于人眼的三维感知，如图1所示。左右两个不同位置不同角度放置的摄像机，同步拍摄毛坯表面图像，经过同源点匹配和视差计算，可以用三角法对毛坯表面进行三维重构。但是，由于透镜毛坯强散射特性，基于空域的结构光编码方法会出现解码误差。课题组提出用时域散斑技术进行时域方向的编码，实验中顺序投影20幅带通随机数字散斑图像，对于每个像素点，都有一个20维度的编码。通过比较左右待匹配点码值之间的汉明距，可以在极线方向寻找到同源点对。另一方面，偏振技术被运用于消除透镜毛坯的多次反射问题。最终，全场的三维点云数据在短时间内被成功重建出，如图2所示。 /p p 　　相对于三坐标测量机，该方法实现了透镜毛坯表面的快速、全场、低成本的三维测量，是一个很有前景的测量方法，尤其是对米级尺寸的透镜毛坯测量具有重要的应用价值。 /p p 　　该项研究成果得到了中科院前沿科学重点研究项目、上海市科委专业技术服务平台项目、上海市自然科学基金项目的支持。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 266px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/482c68fb-7372-43b1-b732-3fc94bc4fd4c.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" width=" 600" height=" 266" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " 图1 双目三维测量系统结构图 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 235px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/fe72b6f5-fdf9-4e68-99b9-cb2ee607b7ed.jpg" title=" 2-2.jpg" alt=" 2-2.jpg" width=" 600" height=" 235" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " 图2 透镜毛坯的三维点云 /p