太赫兹时域反射系统技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及太赫兹时域反射系统。
背景技术
在半导体集成电路的生产制造中，为保证出厂芯片的功能完整性，需在出厂前进
行功能及性能的测试。芯片主要依靠大规模生产，同样也需要大规模的自动化检测。近些年
来，由于技术的更新，便携式设备的流行，封装尺寸的小型化，测试半导体芯片的复杂性加
大，检测流程需要针对不同封装进行定制，因此，大规模自动化的故障分析面临越来越多的
挑战性。
针对半导体集成电路的故障分析包括：在封装和组装阶段使用扫描声学显微成像
技术进行裂缝和分层的无损探测；使用X-光显微成像技术进行外部封装损坏的检查；使用
电时域反射仪进行电路连通性能的检测等。其中，电路的通断、短路、错接是常见的故障后
果。在半导体集成电路的封装阶段，电时域反射仪能够将电脉冲送入传输线并读取其返回
脉冲，从而实现故障的判断和定位，然而目前电时域反射仪可实现最高毫米级分辨率，不适
用于微米级别的故障分析，无法对日益小型复杂化的芯片封装进行故障检测。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可以对半导体集成电路进行高准确率、高
灵敏度故障分析的太赫兹时域反射系统。
一种太赫兹时域反射系统，用于对半导体集成电路故障进行检测，包括：
脉冲激光器，用于发射脉冲激光；
分束装置，用于将所述脉冲激光分束为泵浦光和激发光；
光学延迟线装置，设置在所述激发光传播的方向上，用于调节所述泵浦光和所述
激发光的时间延时；
电脉冲收发装置，所述电脉冲收发装置与待测芯片连接，所述泵浦光和激发光均
聚焦在所述电脉冲收发装置上，所述电脉冲收发装置用于产生高频电脉冲信号发送至所述
待测芯片，并接收来自所述待测芯片反射的高频电脉冲信号形成太赫兹时域反射信号，并
分析所述待测芯片的故障信息。
在其中一个实施例中，所述电脉冲收发装置包括：
第一光电导天线，所述泵浦光聚焦在所述第一光电导天线上，用于产生高频电脉
冲信号并输送至所述待测芯片；
第二光电导天线，所述激发光聚焦在所述第二光电导天线上，用于接收来自所述
待测芯片反射的高频电脉冲信号；
探针，分别与所述第一光电导天线、第二光电导天线、待测芯片连接；
信号分析模组，与所述第二光电导天线连接，用于对反射的高频电脉冲信号进行
采集处理，形成所述太赫兹时域反射信号并分析所述待测芯片的故障信息。
在其中一个实施例中，所述信号分析模组包括信号采集模块和信号处理模块，所
述第二光电导天线、信号采集模块、信号处理模块依次电连接；
所述信号采集模块用于对反射的高频电脉冲信号进行采集放大处理；
所述信号处理模块用于形成所述太赫兹时域反射信号并分析所述待测芯片的故
障信息。
在其中一个实施例中，所述电脉冲收发装置还包括直流偏置模块，所述直流偏置
模块与所述第一光电导天线连接，用于为所述第一光电导天线提供直流偏置电压。
在其中一个实施例中，所述电脉冲收发装置还包括电流放大模块，所述电流放大
模块与所述第一光电导天线连接，用于所述高频电脉冲信号进行放大处理。
在其中一个实施例中，所述电脉冲收发装置还包括频率校正模块，所述频率校正
模块与所述第一光电导天线连接，用于监测和校正所示高频电脉冲信号。
在其中一个实施例中，所述电脉冲收发装置还包括传输线，所述传输线的一端分
别与所述第一光电导天线、第二光电导天线连接，所述传输线的另一端与所述探针连接。
在其中一个实施例中，还包括光纤，所述光纤依次连接所述脉冲激光器、分束装
置、光学延迟线装置，用于传输所述脉冲激光。
在其中一个实施例中，所述分束装置为光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与
所述光纤连接，所述光纤耦合器的第一输出端用于输出所述泵浦光，所述光纤耦合器的第
二输出端用于输出所述激发光。
在其中一个实施例中，所述分束装置为分束镜。
上述太赫兹时域反射系统可以快速获得待测芯片在一定时间延迟内的太赫兹时
域反射信号的变化，也即可以获得高频电脉冲信号在待测芯片中沿引线传播的距离的信
息。由于待测芯片的引线开路、短路等连通性故障会引起阻抗的不同变化，继而使太赫兹时
域反射信号变化。例如引线中开路时，太赫兹时域反射信号会在对应的距离呈现正反射峰，
其峰值与阻抗有关，因此可通过太赫兹时域反射信号的变化，对待测芯片中连通性故障进
行定位和判定，也可以对待测芯片中引线的阻抗进行测量。由于太赫兹时域反射系统使用
超快激光激发高频电脉冲信号，该高频电脉冲信号上升时间极短，相比电时域反射仪可达
到微米级别的检测精度，大大提升了检测的信噪比，为复杂封装提供高准确率、高灵敏度的
故障分析。
附图说明
图1为一实施例中太赫兹时域反射系统的光路图；
图2为一实施例中太赫兹时域反射系统中电脉冲收发装置的结构框架图。
附图标记：脉冲激光器10、分束装置20、光纤30、光学延迟线装置40、第一光电导天
线51、第二光电导天线52、信号分析模组53、直流偏置模块54、传输线55、探针56、待测芯片
60。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对发明进行更全面的描述。附图中给
出了发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述
的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体
的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的
所列项目的任意的和所有的组合。
太赫兹辐射是指频率在0.1THz到10THz之间的电磁辐射，太赫兹时域反射系统结
合光电效应和时域反射技术可实现皮秒(ps)量级时间晃动的高分辨率故障检测，其中，时
间晃动就是时间抖动，表示脉冲信号的信号周期与理想周期的微小偏差，从一定程度上表
现了脉冲的跳变程度。
图1为一实施例中太赫兹时域反射系统的光路图，图2为一实施例中太赫兹时域反
射系统中电脉冲收发装置的结构框架图。太赫兹时域反射系统用于对半导体集成电路故障
进行检测，包括脉冲激光器10、分束装置20、光学延迟线装置40以及电脉冲收发装置50。脉
冲激光器10发射的超短脉冲激光通过分束装置20进行脉冲激光的分束。一束脉冲激光直接
形成泵浦光，另一束经由光学延迟线装置40后形成激发光，其中，光学延迟线装置40用于增
加泵浦光和激发光的时间延迟。超短脉冲激光激发电脉冲收发装置50产生和接收高频电脉
冲信号，高频电脉冲信号的频率皮秒(ps)量级，且该高频电脉冲信号为电流信号，其电流信
号的强度为纳安(nA)级别。产生的高频电脉冲信号被送入待测芯片60进行故障检测。
通过上述太赫兹时域反射系统，可以快速获得待测芯片60在一定时间延迟内的太
赫兹时域反射信号的变化，也即可以获得高频电脉冲信号在待测芯片60中沿引线传播的距
离的信息。由于待测芯片60的引线开路、短路等连通性故障会引起阻抗的不同变化，继而使
太赫兹时域反射信号变化。例如引线中开路时，太赫兹时域反射信号会在对应的距离呈现
正反射峰，其峰值与阻抗有关，因此可通过太赫兹时域反射信号的变化，对待测芯片60中连
通性故障进行定位和判定，也可以对待测芯片60中引线的阻抗进行测量。
脉冲激光器10为飞秒脉冲激光器10，用于发射的超短脉冲激光，其中超短脉冲激
光为小于1皮秒(ps)的脉冲光。
太赫兹时域反射系统还包括光纤30，所述光纤30依次连接所述脉冲激光器10、分
束装置20、光学延迟线装置40，用于传输所述脉冲激光。脉冲激光器10与分束装置20、分束
装置20与光学延迟线装置40之间均是光纤30传输，通过光纤30来输出超短脉冲激光，可以
提供传输效率，减小能量损耗，同时提高整个系统的稳定性。
分束装置20为光纤耦合器20，所述光纤耦合器20的输入端与所述光纤30连接，所
述光纤耦合器20的第一输出端连接光纤30用于输出所述泵浦光，所述光纤耦合器20的第二
输出端连接光纤30用于输出所述激发光。
在一实施例中，若从脉冲激光器10发射的超短脉冲激光在自由空间内传输，其分
束装置20还可以为分束镜，由分束镜将超短脉冲激光一分为二。
电脉冲收发装置50，所述电脉冲收发装置50与待测芯片60连接，所述泵浦光和激
发光均聚焦在所述电脉冲收发装置50上，所述电脉冲收发装置50用于产生高频电脉冲信号
发送至所述待测芯片60，并接收来自所述待测芯片60反射回的高频电脉冲信号形成太赫兹
时域反射信号，并分析所述待测芯片的故障信息，其中，所述高频电脉冲信号为纳安级电流
信号。
电脉冲收发装置50包括第一光电导天线51、第二光电导天线52、信号分析模组53、
传输线55以及探针56。
光纤耦合器20输出的泵浦光经自由空间聚焦到第一光电导天线51(发射光电导天
线)上并激发产生高频电脉冲信号。光学延迟线装置40输出的激发光经自由空间聚焦至第
二光电导天线52(接收光电导天线)。高频电脉冲信号经由传输线55、探针56送入待测芯片
60，在待测芯片60中传输。其中，传输线55是具有低阻抗、低损耗的高频高速传输线55。探针
56末梢将直接置于待测半导体芯片的引脚，以实施故障的检测。相应的，来自待测芯片60的
高频电脉冲信号反射信号在经探针56、传输线55反射至第二光电导天线52中，并在第二光
电导天线52中转为为光电导内的电流信号后输出至信号分析模组53，由信号分析模组53对
反射的高频电脉冲信号进行采集处理，形成所述太赫兹时域反射信号。
信号分析模组53包括信号采集模块531和信号处理模块532，所述第二光电导天线
52、信号采集模块531、信号处理模块532依次电连接。信号采集模块531包括信号放大单元、
锁相放大单元和信号采集单元，可以对反射的高频电脉冲信号进行采集放大处理。信号处
理模块532信号处理单元和故障分析单元，可以对根据太赫兹时域反射信号分析待测芯片
60的故障信息。
电脉冲收发装置50还包括直流偏置模块54，直流偏置模块54与第一光电导天线51
连接，用于为第一光电导天线51提供直流偏置电压。
所述电脉冲收发装置50还包括电流放大模块57，所述电流放大模块57与所述第一
光电导天线51连接，用于对传输线55内微弱的高频电脉冲信号进行一定程度放大处理。
所述电脉冲收发装置50还包括频率校正模块58，所述频率校正模块58与所述第一
光电导天线51连接，频率校正模块58的输出端通过传输线55电性连接至探针56。频率校正
模块58用于监测和校正所示高频电脉冲信号。在一实施例中，若对微弱高频电脉冲信号的
频率校正较为困难，频率校正模块58设于电流放大模块57与传输线55之间。
进一步地，在泵浦光的照射下，第一光电导天线51基底可产生自由移动的电子-空
穴对，并在直流偏置模块54的作用下形成很小的电流，此时第一光电导天线51具有高阻且
低导通率的特性。由于泵浦光是超短脉冲激光组成，在超短脉冲激光的作用下，第一光电导
天线51产生反复运动的载流子和迅速变化的电流，使得电导率大大增加，从而形成皮秒量
级的高频电脉冲信号。
高频电脉冲信号发送至待测芯片60中，高频电脉冲信号在连通故障发生处，将形
成皮秒量级反射型高频电脉冲信号，经探针56、传输线55进入第二光电导天线52，在第二光
电导天线52内形成高频瞬时电势差。在激发光的照射下，第二光电导天线52基底也可产生
自由移动的电子-空穴对，在高频瞬时电势差和激发光的超短脉冲的作用下，第二光电导天
线52瞬时导通，产生瞬时光电流，并输出至信号分析模组53，形成瞬时的太赫兹时域反射信
号。
为判定待测芯片60连通性故障的位置，需获得不同时间延迟的太赫兹时域反射信
号，即太赫兹时域反射信号在一段时间延迟的变化。通过调节延时线装置改变泵浦光和激
发光的时间延迟，从而激发第一光电导天线51在不同时间延迟内对太赫兹时域反射信号的
无晃动等效采样，实现太赫兹时域反射信号在一段时间延迟内的变化的重建。通过对太赫
兹时域反射信号的分析，也即可以获得高频电脉冲信号在待测芯片60中沿引线传播的距离
的信息，即可了解故障的时间延迟、相位及电脉冲反射强度，从而判断连通性故障的位置、
类型以及分析芯片引线的阻抗变化。
采用太赫兹时域反射系统对半导体集成电路的故障检测，其最大测量长度可达
150mm；最高测量精度小于5微米。其中，最大测量长度主要取决于高频电脉冲信号在传输线
55、待测芯片60内以及电脉冲收发模块的衰减情况和光学延迟线装置40对超短脉冲激光的
最大时间延迟。在本实施例中，高频电脉冲信号(电流)信号的强度在纳安(nA)级别，信号比
较微弱，在传输线55和引线中均有衰减，定义最大测量长度为高频电脉冲信号可以在引线
中传输的距离。最高测量精度主要由脉冲激光器10发射的超短激光脉冲的脉冲上升时间所
决定，在本实施例中，超短激光脉冲的脉冲上升时间小于6皮秒(ps)，还与太赫兹时域反射
信号采集的信噪比有关。
由于太赫兹时域反射系统使用超快激光激发高频电脉冲信号，该高频电脉冲信号
上升时间极短，相比电时域反射仪可达到微米级别的检测精度，大大提升了检测的信噪比，
为复杂封装提供高准确率、高灵敏度的故障分析。通过使用太赫兹时域反射系统，可以检测
复杂封装内连通性问题，及时发现生产制造过程中工艺上的漏洞，降低出厂产品的故障发
生率，避免芯片的返厂检修，维护企业的形象。这是太赫兹时域反射系统用于小型化复杂化
芯片封装的重要优势。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实
施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。