芯片先进封装中的翘曲与显微DIC测量解决方案

芯片翘曲在先进封装中成为一个日益严重的关注点，芯片各层材料热膨胀系数的不同会导致热变形的失配，从而产生机械应力和翘曲。

在微电子封装领域，热翘曲现象普遍存在于元器件生产及服役的各个环节, 例如芯片生产工艺过程都会引起芯片热翘曲。工作状态下芯片自发热和环境温度的变化，也会引起元件翘曲变形。过大的翘曲将会导致芯片开裂、芯片分层、焊点失效等问题。

在结构热翘曲的实验观测中，重点是测量由于热翘曲引起的离面位移。新拓三维XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统，数字图像相关DIC技术结合体式显微镜，可用于测量承受施加载荷、不同温度下的芯片试样表面变形、应变和翘曲。通过使用体式显微镜，以及用于复杂失真校正的软件，可获得高放大倍率测量，适用于测量芯片Z方向位移以及翘曲。

XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统自带一键自动标定功能，可对图像失真进行校正，避免与传统参数失真模型相关的问题。该标定方法通过计算立体显微镜的非参数畸变场，可完全消除测量中的形貌和应变偏差。

传统测量方案的局限性

• 接触式测量方法主要包括垫片法和接触探针法，前者成本低且操作简单，但测量精度较低。
• 接触探针法具有较高的精度，但无法实现全场测量，无法动态监测温度变化过程的变形以及翘曲。
• 非接触式测量，Moiré纹法在测量时，必须非常接近被测样品表面, 导致在高温环境下的测量受到诸多限制。
• 干涉法的测量精度较高，但由于镜头与样品间的紧密性，不适用于高温下的测量，此外还存在视场范围小、测量时间长、光学装置复杂昂贵等缺点。

显微DIC技术热翘曲测量方案

芯片翘曲测量，对于样品及镜头的紧密性要求较高，高温环境下测量时易灼伤镜头。新拓三维XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统采用非接触式测量，且测量速度快，不受此限制，适用于热翘曲过程的实时观测。

为了实现热翘曲的有效观测，基于显微DIC 技术搭建芯片热翘曲测量平台，开展典型叠层结构热翘曲测试，实现多层板在升温过程中热翘曲的实时观测。

芯片表面制作耐高温散斑

不同温度下芯片加热测试

热翘曲实验采用新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统及温度控制器（温控±0.1°C），制冷控制器, 光学冷热台面配备了绝热罩及观察窗，以降低空气流动对样品造成的扰动。

在实验过程中, 参照炉温曲线，设定合适的加热台温度控制程序，测试温度组分为三组：

备注：常规芯片服役环境温度及自发热温度一般不超过 200 °C，150 °C 也是《GJB 548B-2005 微电子器件试验方法和程 序》中有关热学实验的常见指标。
XTDIC-MICRO显微应变测量系统完成整个翘曲过程的图像采集, 在窗口中选定ROI区域为样品的全部上表面，并在DIC软件中进行3D模型的重建及相关参数的后处理。
芯片加热翘曲实验数据

采用DIC软件分析计算芯片在每个温度下的翘曲情况；输出每个温度点的翘曲云图、曲线图和应变数据。

下图为芯片在温度30°C加热到180°过程中，分析芯片表面的离面位移得到翘曲分布，可分析全视场2D位移场及应变场，对角线Z位移变化，最大翘曲的测量结果为6um。

下图为芯片在温度200°C加热到245°再降低到200°过程中，分析芯片表面的离面位移得到翘曲分布，可分析全视场2D位移场及应变场，对角线Z位移变化，最大翘曲的测量结果为8um。

下图为芯片在温度180°C降低到30°过程中，分析芯片表面的离面位移得到翘曲分布，可分析全视场2D位移场及应变场，对角线Z位移变化，最大翘曲的测量结果为6um。
新拓三维XTDIC-Micro系列显微应变测量系统，结合双目体式显微镜，可用于mm级视野尺寸下的力学行为测试，实现微小物体在不同温度下表面的三维坐标、位移及应变的测量，适用于IC、芯片、半导体及电子元器件CTE测量，对于芯片生产工艺及封装中的热翘曲力学性能测试具有重要意义。