芯片翹曲在先進(jìn)封裝中成為一個(gè)日益嚴(yán)重的關(guān)注點(diǎn)，芯片各層材料熱膨脹系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致熱變形的失配，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和翹曲。
在微電子封裝領(lǐng)域，熱翹曲現(xiàn)象普遍存在于元器件生產(chǎn)及服役的各個(gè)環(huán)節(jié), 例如芯片生產(chǎn)工藝過(guò)程都會(huì)引起芯片熱翹曲。工作狀態(tài)下芯片自發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化，也會(huì)引起元件翹曲變形。過(guò)大的翹曲將會(huì)導(dǎo)致芯片開裂、芯片分層、焊點(diǎn)失效等問(wèn)題。
在結(jié)構(gòu)熱翹曲的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中，重點(diǎn)是測(cè)量由于熱翹曲引起的離面位移。新拓三維XTDIC-MICRO三維顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)字圖像相關(guān)DIC技術(shù)結(jié)合體式顯微鏡，可用于測(cè)量承受施加載荷、不同溫度下的芯片試樣表面變形、應(yīng)變和翹曲。通過(guò)使用體式顯微鏡，以及用于復(fù)雜失真校正的軟件，可獲得高放大倍率測(cè)量，適用于測(cè)量芯片Z方向位移以及翹曲。
XTDIC-MICRO三維顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)自帶一鍵自動(dòng)標(biāo)定功能，可對(duì)圖像失真進(jìn)行校正，避免與傳統(tǒng)參數(shù)失真模型相關(guān)的問(wèn)題。該標(biāo)定方法通過(guò)計(jì)算立體顯微鏡的非參數(shù)畸變場(chǎng)，可完全消除測(cè)量中的形貌和應(yīng)變偏差。
傳統(tǒng)測(cè)量方案的局限性
接觸式測(cè)量方法主要包括墊片法和接觸探針?lè)?，前者成本低且操作?jiǎn)單，但測(cè)量精度較低。
接觸探針?lè)ň哂休^高的精度，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量，無(wú)法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)溫度變化過(guò)程的變形以及翹曲。
非接觸式測(cè)量，Moiré紋法在測(cè)量時(shí)，必須非常接近被測(cè)樣品表面, 導(dǎo)致在高溫環(huán)境下的測(cè)量受到諸多限制。
干涉法的測(cè)量精度較高，但由于鏡頭與樣品間的緊密性，不適用于高溫下的測(cè)量，此外還存在視場(chǎng)范圍小、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、光學(xué)裝置復(fù)雜昂貴等缺點(diǎn)。
顯微DIC技術(shù)熱翹曲測(cè)量方案
芯片翹曲測(cè)量，對(duì)于樣品及鏡頭的緊密性要求較高，高溫環(huán)境下測(cè)量時(shí)易灼傷鏡頭。新拓三維XTDIC-MICRO三維顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量，且測(cè)量速度快，不受此限制，適用于熱翹曲過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)。
為了實(shí)現(xiàn)熱翹曲的有效觀測(cè)，基于顯微DIC 技術(shù)搭建芯片熱翹曲測(cè)量平臺(tái)，開展典型疊層結(jié)構(gòu)熱翹曲測(cè)試，實(shí)現(xiàn)多層板在升溫過(guò)程中熱翹曲的實(shí)時(shí)觀測(cè)。
芯片表面制作耐高溫散斑
不同溫度下芯片加熱測(cè)試
熱翹曲實(shí)驗(yàn)采用新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)及溫度控制器（溫控±0.1°C），制冷控制器, 光學(xué)冷熱臺(tái)面配備了絕熱罩及觀察窗，以降低空氣流動(dòng)對(duì)樣品造成的擾動(dòng)。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 參照爐溫曲線，設(shè)定合適的加熱臺(tái)溫度控制程序，測(cè)試溫度組分為三組：
備注：常規(guī)芯片服役環(huán)境溫度及自發(fā)熱溫度一般不超過(guò) 200 °C，150 °C 也是《GJB 548B-2005 微電子器件試驗(yàn)方法和程 序》中有關(guān)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的常見指標(biāo)。
XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)完成整個(gè)翹曲過(guò)程的圖像采集, 在窗口中選定ROI區(qū)域?yàn)闃悠返娜可媳砻?，并在DIC軟件中進(jìn)行3D模型的重建及相關(guān)參數(shù)的后處理。
芯片加熱翹曲實(shí)驗(yàn)DIC分析數(shù)據(jù)
采用DIC軟件分析計(jì)算芯片在每個(gè)溫度下的翹曲情況；輸出每個(gè)溫度點(diǎn)的翹曲云圖、曲線圖和應(yīng)變數(shù)據(jù)。
下圖為芯片在溫度30°C加熱到180°過(guò)程中，分析芯片表面的離面位移得到翹曲分布，可分析全視場(chǎng)2D位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)角線Z位移變化，最大翹曲的測(cè)量結(jié)果為6um。
下圖為芯片在溫度200°C加熱到245°再降低到200°過(guò)程中，分析芯片表面的離面位移得到翹曲分布，可分析全視場(chǎng)2D位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)角線Z位移變化，最大翹曲的測(cè)量結(jié)果為8um。
下圖為芯片在溫度180°C降低到30°過(guò)程中，分析芯片表面的離面位移得到翹曲分布，可分析全視場(chǎng)2D位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)角線Z位移變化，最大翹曲的測(cè)量結(jié)果為6um。
新拓三維XTDIC-Micro系列顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像相關(guān)算法（DIC技術(shù)），結(jié)合雙目體式顯微鏡，可用于mm級(jí)視野尺寸下的力學(xué)行為測(cè)試，實(shí)現(xiàn)微小物體在不同溫度下表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測(cè)量，適用于IC、芯片、半導(dǎo)體及電子元器件CTE測(cè)量，對(duì)于芯片生產(chǎn)工藝及封裝中的熱翹曲力學(xué)性能測(cè)試具有重要意義。