マイクロサーモグラフィによる次世代マイクロエレクトロニクスとMEMSの熱最適化

新しいマイクロエレクトロニクス製品の開発において、熱最適化はますます重要かつ困難になっています。微小電気機械システム（MEMS）は、一般的な使用例として携帯電話の位置認識やエアバッグ、デジタルカメラ、ペースメーカーなどがあり、ナノテクノロジーにおいて幅広い応用可能性を持っています。また、MEMS技術は、小型化された医療診断機器においても利用が進んでおり、先進的な医療ソリューションに新たな可能性を提供しています。小型化の推進は、システムソリューションだけでなく、センサーや制御要素の開発にも影響を与えています。複雑な電子機器が小型化する一方で消費電力が増加してきており、効果的な熱管理はこれまで以上に重要となっています。

最新のマイクロプロセッサは、高密度に集積された回路やトランジスタにより、性能の低下と寿命の短縮を引き起こす可能性がある局所的なホットスポットという課題に直面しています。これらのホットスポットが複数の金属層の下やフリップチップパッケージ内にある場合は特に検出が困難になります。

マイクロサーモグラフィによる微細熱画像解析は、マイクロメートルスケールで高精度の熱解析を提供し、複雑な電子機器の組立てや電子部品の温度分布について詳細に把握し、最適な性能と信頼性を保証します。この高度な熱画像システムは、通電された部品の温度分布を正確に解析し、画像領域内のホットスポットを効果的に特定・追跡することができます。マイクロプロセッサ技術が進化し、性能の向上とダイコストの削減が進むにつれ、IC内の金属層の数、CMOSデバイス、相互接続密度が増加の一途を辿っています。サブミクロン技術におけるこの傾向は、欠陥位置の特定をますます困難にしています。シリコンは1.1µmのバンドギャップを超える波長でほぼ透明になるため、赤外線顕微鏡サーモグラフィーカメラの活用がこの分野で重要な利点を提供します。ドーパントはシリコンの吸収を増加させる原因となりますが、この効果が顕著になるのは高濃度ドープ基板においてのみのため、赤外顕微鏡サーモグラフィーカメラは依然として複雑な電子部品の構造を解析するための強力なツールです。

従来、特に２ ～ ５µmの中赤外域に感度を持つ高性能赤外線イメージングシステムでも、これらの領域からの熱放射を非侵襲的にリアルタイムでイメージングすることができますが、高コストで筐体サイズと消費電力が大きいだけでなく、極低温冷却システムが必要なためメンテナンスが複雑になる点などいくつかの欠点があります。

高精度赤外線顕微鏡サーモグラフィーカメラによるマイクロプロセッサの温度プロファイルの解明

赤外線顕微鏡サーモグラフィーカメラ、特に倍率２倍を実現したPI640iのマイクロスコープキットは、小型電子デバイスやMEMSの詳細な熱解析を必要とするエンジニアに適したソリューションとなります。この赤外線イメージングシステムは、高解像度の検出器技術を利用して赤外線熱エネルギーをカメラのセンサーに集束させ、研究者や設計エンジニアが温度変化を可視化し、微小なターゲットの温度を測定することを可能にします。この機能により、マイクロプロセッサ、MEMS、マイクロエレクトロニクス、およびパッケージングシステムなどのきわめて小さい部品に対しても信頼性が高く詳細な故障解析を非破壊的に行えます。

2倍の倍率に対応したPI640i顕微鏡サーモグラフィーカメラは、８ 〜 14µmの長波長赤外線領域で動作し、冷却が不要な最新のマイクロボロメーターを利用することで、従来の高価な冷却赤外線顕微鏡に比べて大幅に低いコストで使用できます。このカメラは、5.4×4.0mmの視野で、８µm（IFOV）までの小さなターゲットの温度変化が検出することができます。低い熱ノイズと17 µmの最適なピクセルピッチサイズを組み合わせることで、わずか4 x 4ピクセルの小さな測定視野（MFOV）要件が可能となります。また、フレームレートは標準モードで32Hz、高速サブフレームモードで125Hzをサポートし、高速な熱処理をリアルタイムで観察することができます。

この先進的な非接触温度分析システムは、微細な欠陥や熱不整合も確実に検出し、最新のマイクロプロセッサやMEMS、その他の小型電子機器の高解像度試験や検証をサポートします。

ダークロックインサーモグラフィー（DLIT）によるマイクロエレクトロニクスの欠陥検出

PI640i赤外線イメージングシステムは、低いノイズ等価温度差（NETD）を誇り、わずかな温度変化も高い感度で捉えます。ロックインアンプまたはロックイン増幅は、ノイズの多い背景から有用な信号を抽出するために使用され、被試験デバイス（DUT）に電圧をかけて熱的な特徴を明らかにするアプリケーションで特に有効です。場合によっては、より正確な欠陥解析のためにダークロックインサーモグラフィ（DLIT）が適用されます。DLITを使用する場合、DUTは電源に接続し、赤外線サーモグラフィーカメラを使ってその熱放射を測定し、表面温度分析によって局所的な品質不良箇所を検出します。

DLITでは、DUTにパルス電圧を印加し、その結果生じる温度変調を捉えます。電気的なバイアス印加下で熱源を周期的信号で変調することで、赤外線サーモグラフィーカメラによる微妙な温度変動の検出を可能にします。この非破壊イメージング技術は、特にマイクロエレクトロニクスデバイスの電気的欠陥や熱異常の検出・解析に有効です。

この方法は、サンプルに周期的にパルス状の熱を加え、刺激された表面の温度場を観察することで得られる加熱と冷却の両方のカーブをターゲットにします。これは通常、電源電圧を切り替えるか、正弦波変調が使用され、各励起パルス後の局所的な冷却過程を観察します。このアプローチは、表面下の構造を検出することを可能にし、パワー半導体の組み立てなどの用途で特に有用です。

DLITは、微弱な電流と微細な温度情報を検出することができ、電荷キャリアの過剰な再結合などの電気的欠陥が発熱を引き起こしている領域が特定できます。周期的な変調により感度と空間分解能が向上し、NETDの閾値以下であるマイクロケルビンレベルまでの温度変化を検出することができます。この能力により、微小な熱異常の特定が可能となり、先進的な電子機器の設計や検証に不可欠なツールとなっています。