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與超人不同，澳大利亞阿德萊德大學(xué)的研究人員并不聲稱擁有透視眼，但他們找到了一種方法，可以在不干擾芯片運(yùn)行的情況下，遠(yuǎn)程觀察芯片內(nèi)部晶體管的電活動(dòng)。科學(xué)家們沒有使用X射線，而是利用太赫茲波來探測封裝半導(dǎo)體內(nèi)部電荷運(yùn)動(dòng)引起的微小變化。

雖然仍處于早期發(fā)展階段，但如果加以改進(jìn)和擴(kuò)大規(guī)模，這種非侵入式探測系統(tǒng)可能會(huì)改變芯片的測試方式，減少對電子探測和X 射線檢測等技術(shù)的依賴。這些技術(shù)可以生成芯片結(jié)構(gòu)的精細(xì)圖像，但無法觀察其電學(xué)行為。

“我們用現(xiàn)成的組件構(gòu)建了這套系統(tǒng)，”阿德萊德大學(xué)工程學(xué)教授、該研究小組負(fù)責(zé)人維塔瓦特·維塔亞楚姆南庫爾（Withawat Withayachumnankul）說道。該研究小組的成員還包括來自美國弗吉尼亞二極管公司、德國哈索·普拉特納研究所和波茨坦大學(xué)的同事。“它需要視線范圍內(nèi)的探測，但可以穿透非金屬芯片封裝材料。”

實(shí)驗(yàn)首先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) ——一種能夠產(chǎn)生已知頻率和相位微波信號的實(shí)驗(yàn)室工具。該信號經(jīng)由VNA 頻率擴(kuò)展器（由 Virginia Diodes公司提供）轉(zhuǎn)換為太赫茲波，然后由 VNA 頻率擴(kuò)展器將太赫茲波輻射到待測芯片上。在到達(dá)目標(biāo)之前，太赫茲輻射會(huì)穿過一個(gè)用作聚焦透鏡的物鏡，該物鏡將光束聚焦到一個(gè)僅 1 平方毫米的區(qū)域內(nèi)——在本實(shí)驗(yàn)中，該區(qū)域足以容納 5 個(gè)雙極型晶體管。

當(dāng)晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，它們會(huì)略微改變信號的特性，反射波會(huì)沿原路返回到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）擴(kuò)展器中的接收器。在那里，它被下變頻回微波頻率，并與原始信號進(jìn)行比較。

通過測量振幅和相位上的微小差異，該系統(tǒng)可以推斷芯片內(nèi)部電荷運(yùn)動(dòng)的變化。研究人員特別發(fā)現(xiàn)，隨著被監(jiān)測晶體管中PN結(jié)導(dǎo)電性增強(qiáng)（即電荷載流子增多），反射的太赫茲信號也隨之增強(qiáng)。

“據(jù)我所知，目前還沒有任何檢測技術(shù)能夠做到這一點(diǎn)。這令人興奮。”——丹尼爾·米特爾曼，布朗大學(xué)

在這一過程中，一種名為零差正交接收機(jī)的裝置起著核心作用。它將待測信號與匹配頻率的參考信號進(jìn)行比較，從而檢測信號的變化。該裝置通常用于較低頻率，但在這里卻被用來檢測太赫茲信號中極其微小、快速的變化，這些變化在其他情況下是無法直接觀測到的。

“考慮到在如此高的頻率下測量波的強(qiáng)度和時(shí)間的復(fù)雜性，我們不得不對其進(jìn)行改造，使其能夠在太赫茲領(lǐng)域工作，”Withayachumnankul 說。

由于太赫茲波長遠(yuǎn)大于被探測特征的波長，因此相互作用只會(huì)導(dǎo)致反射信號發(fā)生非常小的變化。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）中產(chǎn)生原始微波信號的振蕩器產(chǎn)生的噪聲很容易掩蓋這種變化。“這就是為什么我們選擇使用零差正交接收器來比較探測信號和原始信號的原因，”Withayachunankul說道。“在比較過程中，兩個(gè)信號共有的噪聲基本被抵消，只留下芯片電活動(dòng)引起的信號變化。”

“零差檢測在這里至關(guān)重要，”羅德島布朗大學(xué)工程學(xué)教授丹尼爾·米特爾曼說。“它能夠檢測出由低得多的兆赫茲頻率的電調(diào)制（針對被監(jiān)測的晶體管）引起的太赫茲信號的變化。典型的太赫茲檢測方案無法做到這一點(diǎn)。”

研究人員表示，太赫茲波除了能夠穿透非金屬半導(dǎo)體封裝外，還是一種無害且非電離的電磁輻射形式，因此有可能為依賴 X 射線或侵入式探測的檢測方法提供更安全的替代方案。

“大多數(shù)半導(dǎo)體封裝中使用的塑料和陶瓷都很薄，不會(huì)過度吸收太赫茲波，”Withayachumnankul 說。“因此無需將其移除。這意味著我們可以原位測量半導(dǎo)體的活動(dòng)。”

雖然封裝可能不會(huì)對太赫茲檢測造成影響，但現(xiàn)代芯片的其他方面卻可能成為問題。“一般來說，現(xiàn)代芯片由多層構(gòu)成，有時(shí)只是互連層，有時(shí)也包含有源電路，”米特爾曼說道，“目前尚不清楚這些層是否都對太赫茲輻射透明。” 因此，他指出，如果目標(biāo)器件被埋在十幾層其他層之下，這種檢測技術(shù)可能會(huì)遇到問題。“如果這些覆蓋層是不透明的，那么這種技術(shù)就無法用于診斷深埋的器件。這就是該方法的局限性。”

鑒于該系統(tǒng)在現(xiàn)階段的靈敏度相對較低，研究人員主要將測試范圍限定在分立器件上，實(shí)時(shí)監(jiān)測整流二極管、雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管（FET）等器件的開關(guān)狀態(tài)變化。最近，他們開始測試包含多達(dá)六個(gè)FET的集成電路。

下一個(gè)主要挑戰(zhàn)是提高該技術(shù)的靈敏度，以便檢測集成度更高的芯片。“我們有一些方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但我現(xiàn)在還不方便透露，”Withayachumnankul說道。

他表示，最終，隨著技術(shù)的改進(jìn)和完善，這種方法對于高功率電子設(shè)備等安全關(guān)鍵型應(yīng)用將尤為具有吸引力，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，設(shè)備一旦離線就會(huì)造成運(yùn)行中斷。此外，在德國合作者的幫助下，Withayachumnankul 正致力于利用這項(xiàng)技術(shù)讀取芯片中的加密數(shù)據(jù)，這可能對安全領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

“利用太赫茲成像技術(shù)研究半導(dǎo)體器件的想法由來已久，”米特爾曼說。“但這項(xiàng)研究開啟了‘對封裝內(nèi)運(yùn)行中的器件進(jìn)行診斷’的可能性。據(jù)我所知，目前還沒有任何檢測技術(shù)能夠做到這一點(diǎn)。這令人興奮。”

（來源：編譯自IEEE）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

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