晶圓熱變形測(cè)試，是半導(dǎo)體制造和材料研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。芯片材料之間的熱膨脹系數(shù)差異考慮不充分，會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)晶圓的翹曲或裂紋，進(jìn)而引發(fā)電路短路，性能漂移甚至失效。提前預(yù)測(cè)晶圓熱變形趨勢(shì)，成為合理設(shè)計(jì)芯片核心需求。

晶圓熱變形應(yīng)用，包含半導(dǎo)體制造與封裝測(cè)試中的晶圓高溫沉積，刻蝕工藝中的熱變形，3C電子設(shè)備在極端環(huán)境下的性能測(cè)試表現(xiàn)，汽車車載芯片的AEC-Q100認(rèn)證數(shù)據(jù)測(cè)量，5G數(shù)據(jù)基站和高性能計(jì)算芯片長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的熱變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。準(zhǔn)確獲取熱變形數(shù)據(jù)及熱變形趨勢(shì)，對(duì)于與晶圓、芯片相關(guān)行業(yè)的影響深遠(yuǎn)，效果顯著。

芯片翹曲引起的焊接失效現(xiàn)象

熱變形分析不當(dāng)，出現(xiàn)各種失效現(xiàn)象

DIC技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，結(jié)合雙目立體視覺技術(shù)和近景攝影測(cè)量技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測(cè)量。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)原理示意圖

晶圓熱變形測(cè)量分析示意圖

晶圓熱變形測(cè)量技術(shù)對(duì)比分析

• DIC技術(shù)（Digital Image Correlation）
• WLI技術(shù)（White Light Interferometery）
• 應(yīng)變計(jì)（resistance strain gage technique）

DIC技術(shù)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

DIC技術(shù)在晶圓熱應(yīng)變測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)包括高分辨率（亞像素級(jí)別）、無(wú)接觸測(cè)量（避免損傷）、全場(chǎng)分析（獲取整個(gè)表面的應(yīng)變分布）、快速獲取數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)分析）、適應(yīng)性強(qiáng)（可調(diào)設(shè)備和條件）、多種應(yīng)用（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)），以及數(shù)據(jù)可視化（直觀展示應(yīng)變場(chǎng)）。這些特點(diǎn)使其在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用廣泛，提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

DIC技術(shù)用于晶圓熱變形測(cè)量

晶圓熱應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)基于數(shù)字圖像相關(guān)法原理，主體由XTDIC-CONST三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)頭和高低溫試驗(yàn)箱構(gòu)成。系統(tǒng)可用于測(cè)量各種溫度相關(guān)實(shí)驗(yàn)，支持測(cè)量應(yīng)變場(chǎng)、位移場(chǎng)等多種數(shù)據(jù)。

XTDIC-CONST三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)主要組成如下所示：

晶圓熱變形測(cè)量方案在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將被測(cè)件放置于密閉試驗(yàn)箱內(nèi)，由溫度控制器檢測(cè)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度，通過升溫模塊和降溫模塊搭配使用對(duì)溫箱溫度進(jìn)行控制。

試驗(yàn)過程中，XTDIC-CONST三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)通過試驗(yàn)箱頂端玻璃視窗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集過程中溫度控制器將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳輸至XTDIC軟件內(nèi)，XTDIC軟件通過實(shí)時(shí)溫度對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制，并于對(duì)應(yīng)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

高低溫試驗(yàn)箱-溫度范圍：-40℃~200℃

使用DIC（數(shù)字圖像相關(guān)）技術(shù)測(cè)量晶圓熱應(yīng)變時(shí)，會(huì)面臨一系列難題，XTOP通過多年技術(shù)積累和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，成功解決了以下有別于常規(guī)DIC所遭遇的挑戰(zhàn)。使得測(cè)量全過程測(cè)量穩(wěn)定可靠。

1、剛性位移

試驗(yàn)過程中由于溫度的升高或降低，溫度的變化不僅僅會(huì)影響到樣件，還會(huì)影響到溫箱腔體內(nèi)的其他組件以及溫箱支架等也會(huì)同時(shí)受熱膨脹，導(dǎo)致被測(cè)物產(chǎn)生剛性位移，實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。軟件針對(duì)開發(fā)剛性位移消除技術(shù)，開啟后，可消除外界環(huán)境影響而產(chǎn)生的剛性位移，只顯示被測(cè)物自身變化。

剛性位移消除前/趨勢(shì)受外界影響 & 剛性位移消除后/只顯示自身趨勢(shì)

2、畸變校正

晶圓熱應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)中不僅僅涉及到鏡頭畸變，還收到高低溫箱頂層視窗玻璃的畸變影響，所以常規(guī)標(biāo)定方法僅可消除鏡頭畸變，難以避免外界玻璃產(chǎn)生的干擾。軟件支持網(wǎng)格校正算法，計(jì)算視野內(nèi)網(wǎng)格畸變程度，反向補(bǔ)償畸變數(shù)據(jù)，使得全場(chǎng)各點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差均大幅減小。

典型案例

晶圓熱應(yīng)變測(cè)量方案如下所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)置每間隔10℃為一個(gè)測(cè)試階段S_x ?（如下圖所示共有0~15，共16個(gè)測(cè)試階段）。每當(dāng)?shù)竭_(dá)指定溫度后，溫箱自動(dòng)保溫10min后進(jìn)行圖像采集。實(shí)驗(yàn)由0℃開始，150℃結(jié)束，詳細(xì)計(jì)算步驟如下表所示：

晶圓熱應(yīng)變測(cè)量結(jié)果如下圖所示，狀態(tài)欄分別對(duì)應(yīng)圖表中的對(duì)應(yīng)測(cè)試階段，數(shù)據(jù)分別使用2D視圖與3D視圖兩種方式顯示，可直觀觀測(cè)晶圓熱應(yīng)變分布情況與變形趨勢(shì)，詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如下表所示：

DIC技術(shù)結(jié)合高低溫試驗(yàn)箱，組成熱變形翹曲測(cè)量系統(tǒng)，可在高低溫不同溫度條件下對(duì)印刷電路板(基板)與元器件之間的熱匹配特性進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)對(duì)基板、元器件在不同溫度下(模擬回流焊的溫度變化)的翹曲度的檢測(cè)。

通過測(cè)量樣品的翹曲度變化,分析基板與元器件的匹配特性,以保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和可靠性。

新拓三維DIC設(shè)備可用于PCB、基板、BGA、IC、封裝晶圓和薄膜框架晶圓等微電子器件在受熱變形條件下的平整度共面性測(cè)量，也可用于微電子材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）和表面應(yīng)變分布測(cè)量。