一种半导体封装失效检测的多谐波红外热层析成像方法

本发明涉及一种半导体封装失效检测的多谐波红外热层析成像方法，属于半导体封装无损检测及光热成像。

背景技术：

1、半导体封装器件是电子系统实现高集成度与高可靠性的核心基础，广泛应用于消费电子、汽车电子、工业控制及航空航天等领域。随着先进封装技术向高连接密度、小特征尺寸、异质集成以及多材料、多界面堆叠方向持续发展，封装内部极易出现空洞、分层、脱粘、微裂纹、互连异常及局部电流拥挤等缺陷。这些缺陷通常导致局部热阻增大或形成异常热点，进而诱发器件参数漂移、间歇性失效甚至热失控等可靠性问题。因此，对半导体封装内部缺陷进行无损、精准的检测与定位具有重要的工程价值。

2、目前，超声扫描、x射线成像及电学开短路测试等方法已较为成熟并得到广泛应用。然而，上述方法存在一定局限，例如对不同材料和复杂结构的敏感性有限、对细微界面类缺陷的对比度不足、空间分辨率或穿透深度受限，且设备成本与检测效率往往难以兼顾。近年来，红外主动热成像技术因其无需开封、非接触、可在线实施等优点而受到关注。该技术通过电激励使器件内部缺陷区域产生可观测的热响应，但本质上测得的是器件表面温度场，而非封装内部的真实温度分布。封装的多层材料界面会显著增强热扩散和横向模糊，削弱内部热源信号传播至表面后的幅值与相位可分辨性，导致表面热点模糊，难以实现内部缺陷的准确定位与定量表征。

3、为突破二维热成像的限制，红外热层析方法被提出，其核心思想是将表面温度响应视为内部热源经热扩散后的结果，结合前向传热模型反演重建内部结构或热源分布。现有技术中已发展出动态热断层扫描、截断相关光热相干层析等方法。然而，这些方法在半导体封装检测中仍存在明显不足：一方面，传统热层析多依赖闪光灯、卤素灯等外部激励源，难以针对封装内部具体失效部位实施针对性激励，且易导致表面过热甚至二次损伤；另一方面，采用内部电激励时，由于封装结构薄、热扩散快，为获得有效的深度切片信息，往往需要较高的调制频率及红外采集帧率，当硬件分辨率不足时，信号易混叠、成像模糊且重建不稳定。此外，已有研究如锁相红外热成像虽能实现三维定位，但未引入高次谐波相位等机理判别策略，对深层缺陷成像能力有限。

4、综上所述，亟需提出一种适用于半导体封装失效检测的新型红外热层析方法，以在不显著增加激励复杂度的前提下，提高内部热点检测的空间分辨率、深度分辨能力和成像可靠性。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有半导体封装失效检测方法中表面温度场局限、热扩散模糊、深度分层能力不足及易产生二次损伤的问题，提供了一种半导体封装失效检测的多谐波红外热层析成像方法。

2、本发明所述一种半导体封装失效检测的多谐波红外热层析成像方法，它包括：

3、步骤1、对待测半导体封装器件施加直流偏置叠加单频交流电激励，利用器件电阻随温度变化产生的电热反馈非线性效应，使封装内部失效相关区域产生多阶谐波热响应；

4、步骤2、利用红外热像仪连续采集所述待测半导体封装器件表面的热响应，获取时间序列的红外热图像；

5、步骤3、分别针对基频及各阶谐波频率，对步骤2所述红外热图像中每个像素的时序信号进行正交相干解调，获得各阶谐波对应的同相分量和正交分量；

6、步骤4、根据所述同相分量和正交分量，计算各阶谐波对应的幅值信息与相位信息，生成各阶谐波的幅值图和相位图；

7、步骤5、根据热波扩散理论，计算各阶谐波频率对应的热扩散长度；

8、步骤6、将各阶谐波对应的幅值图和/或相位图，按照各自对应的热扩散长度依次映射至不同深度层，沿深度方向进行堆叠与插值，构建多谐波热层析体，输出待测半导体封装器件内部热点或失效区域的三维定位与分层可视化结果。

9、优选的，所述步骤1施加的激励电流为：

10、；

11、其中，为直流偏置，，为交流幅值，为基频频率，表示时间。

12、优选的，所述步骤2中待测半导体封装器件表面的热响应的空间分布表示为：

13、；

14、其中，表示平均温升，与分别是第阶谐波在表面像素处的幅值与相位。

15、优选的，所述谐波阶次的取值范围为。

16、优选的，所述步骤6中，优先采用第1阶、第2阶和第3阶谐波的幅值图进行深度映射、堆叠与插值，采用第4阶谐波的幅值图作为辅助的浅层细节信息。

17、优选的，所述步骤3对每个像素的时序信号进行正交相干解调，获得同相分量和正交分量具体包括：

18、针对第阶谐波，构建同相参考信号和正交参考信号，

19、分别与每个像素的时序信号进行以下运算：

20、；

21、；

22、得到同相分量和正交分量；

23、其中，表示同相分量，表示正交分量，表示积分窗内的采样点数，表示第帧图像在表面像素处的温度值，表示第帧图像对应的时刻，为同相参考信号，为正交参考信号。

24、优选的，所述步骤4中根据同相分量和正交分量计算各阶谐波对应的幅值信息与相位信息，采用下式进行计算：

25、；

26、。

27、优选的，所述步骤5中计算各阶谐波频率对应的热扩散长度，采用下式进行计算：

28、

29、其中，表示第阶谐波对应的热扩散长度，表示封装材料的热扩散率，，表示封装材料的热导率，表示封装材料的密度，表示封装材料的热容。

30、优选的，所述步骤1中单频交流电激励的基频根据待测半导体封装器件的封装结构、材料热物性参数以及红外热像仪的采样帧率设定。

31、优选的，所述待测半导体封装器件为球栅阵列封装、方形扁平无引脚封装、倒装芯片、系统级封装或三维集成电路封装。

32、本发明的优点：

33、1、无需外部热源、避免二次损伤：本发明利用半导体器件电阻随温度变化的电热反馈非线性效应，在直流偏置叠加单频交流电激励下自然产生多阶谐波热响应，无需闪光灯、卤素灯等外部激励源，从根本上避免了器件表面过热及二次损伤风险。

34、2、三维层析成像、抑制横向热扩散模糊：本发明通过提取各阶谐波的幅值图和相位图，并结合不同谐波对应的热扩散长度差异进行深度映射、堆叠与插值，实现了封装内部失效热点及缺陷的三维定位与分层可视化，有效抑制了热波横向扩散带来的热点展宽和成像模糊问题。

35、3、显著提升空间分辨率和深度分辨能力：低阶谐波穿透能力强，适于深层信息探测；高阶谐波热扩散长度小，对浅层和局部热异常敏感。多谐波互补利用，在保持穿透深度的同时提高了浅层细节分辨能力，克服了传统方法分辨率与穿透深度难以兼顾的缺陷。

36、4、适用封装类型广泛：方法对封装结构、材料及层数不敏感，可适用于球栅阵列（bga）、方形扁平无引脚（qfn）、倒装芯片、系统级封装（sip）及三维集成电路（3d-ic）等多种先进封装器件的失效检测。

37、5、检测结果可靠、误判率低：联合幅值和相位信息进行层析重建，增强了异常区域的识别能力，同时多阶谐波通道相互印证，有效降低了因噪声、背景干扰导致的误判和漏判，缩短了失效分析周期，提升了工程检测的可靠性。