芯片热翘曲和热变形DIC全场测量解决方案

方案背景
据相关研究报告50%以上的半导体元件的失效是因为元件发热引起的应力集中造成的。不同的材料的热膨胀系数不同，在冷热变化的环境中，导致应力集中，使半导体发生翘曲进而失效。随着半导体芯片工艺升级，大量晶体管堆叠及复杂封装工艺导致其对温度的冷热变化更为敏感，在芯片设计及封装测试阶段做冷热循环测试成为必备环节，急需一款能实现半导体芯片冷热变形测试及高精度测量分析系统。
DIC原理、技术对比和重要性
新拓三维XTDIC三维全场变形测量技术，是结合数字图像相关方法（ Digital Image Correlation ）与双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像或特征图案，进行立体匹配和三维重建，实现变形过程中物体表面的全场三维坐标、位移及应变的动态测量。具有非接触、便携、速度快、精度高、易操作，可实时测量等特点。尤其适合芯片热翘曲和变形测量。
芯片翘曲和变形测量技术：

• DIC技术（Digital Image Correlation）
• SM技术（Shadow Morie）
• DFP技术（Digital Fringe Projection）
• WLI技术（White Light Interferometery）

DIC技术对芯片失效分析测量的重要性：
DIC技术通过获取基准状态下的轮廓数据，支持追踪同名点在不同温度载荷下的位移数据。进而计算分析出应变数据。
在多维数据的支撑下，芯片失效分析变得简单和可靠。可同时分析芯片的翘曲和焊接工艺评估、断面不同材料否存在应变集中现象，通过测量CTE，可进一步判定是否存在CTE失配问题等。
方案组成、解决的问题和关键指标
本方案采用新拓三维XTDIC-MICRO产品。该产品结合DIC，显微镜和冷热台技术，用于微小视野1-10mm的芯片半导体各种科学研究和数据分析。
一个典型的芯片热翘曲测量方案由以下单元组成：

• DIC测量系统：包含相机、光源、标定板和标定装置、制斑套装以及软件；
• 显微镜：采用10倍左右的光学放大显微镜，适配两个工业相机；
• 温度加载系统：支持加热和制冷的可编程温度控制；

通过本系统深入分析芯片失效原因：热翘曲、三维坐标、三维位移和变形、三维应变分布、 CTE测量
测量对象支持CPU、GPU 、 SSD芯片、Soc等各种半导体集成电路。可开展回流焊接过程模拟，实际运行环境模拟和各项科研工艺过程分析；
XTOP DIC技术关键指标：

• 非接触测量技术；
• XYZ 3D坐标/位移/应变全场测量；
• 1-10mm测量视野；
• 20ue最高应变测量精度；
• 0.1um微米翘曲精度；
• CTE测定；
• FEA比对；
• + -190 ～ 600℃最大温度范围

XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统系列：1-10mm测量范围
XTDIC-CONST三维全场应变测量系统系列：大至500mm测量范围
方案关键技术和成效
结合显微镜的微小视野热变形测量遇到诸多挑战！
XTOP通过多年技术积累和项目经验，成功解决了以下有别于常规DIC所遭遇的挑战。使得测量全过程测量稳定可靠。

• 热气流抑制技术
• 刚性位移消除技术
• 起雾和结霜抑制技术
• 温度补偿技术
• 显微自动标定技术
• 超景深补偿技术

实际案例：样品、硬件系统和试验过程
DIC测量方案：本案例展示了大小为5mm左右芯片的固定台阶式升温的热变形测量。封装类型：Quad Flat No-leads Package
实验流程：设计一组循环试验，从室温RT升高温度到30℃开始，到100℃之后每升温50℃测量一组数据，直到最高温245℃，再相同间隔降低温度到室温。每个测试点进行保温5min后进行数据采集。
实际案例：数据和分析
测量数据：该样品在一个温度循环30 ℃ -245 ℃ -30℃下其2D翘曲视图、Z向翘曲和翘曲数值如下：

• 芯片热变形四角呈现对称的翘曲，符合预期效果和理论；
• 起始静态翘曲分辨率达到亚微米级，精度满足要求；
• 随着温度升高翘曲增大，最大值出现在最高温度245℃时，翘曲数据8.1um；
• 随着温度降低翘曲逐渐减小，回到30℃时基本恢复至起始水平。