面向半导体封装：芯片热翘曲与热变形的DIC测量技术解析

一、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。半导体元件失效因素占比分布芯片翘曲引起的焊接失效现象高密度堆叠发展带来的芯片变形更具挑战二、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 CorrelationSM技术Shadow MorieDFP技术Digital Fringe ProjectionWLI技术White Light InterferometeryDIC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、断面不同材料是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。三、方案组成、解决的问题和关键指标采用新拓三维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1DIC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2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3温度加载系统支持加热和制冷的可编程温度控制通过XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统可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系列1-10mm测量范围XTDIC-CONST系列大至500mm测量范围四、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显微标定技术显微自动标定装置保证系统多次测量稳定性五、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左右芯片在固定台阶式升温过程的热变形测量。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。六、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数据分析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。