DIC三维应变测量系统用于芯片晶圆热变形测量

前言：

晶圆热变形测试，是半导体制造和材料研究中的关键环节。芯片材料之间的热膨胀系数差异考虑不充分，会导致芯片内晶圆的翘曲或裂纹，进而引发电路短路，性能漂移甚至失效。提前预测晶圆热变形趋势，成为合理设计芯片核心需求。

晶圆热变形应用，包含半导体制造与封装测试中的晶圆高温沉积，刻蚀工艺中的热变形，3C电子设备在极端环境下的性能测试表现，汽车车载芯片的AEC-Q100认证数据测量，5G数据基站和高性能计算芯片长期高温运行的热变形风险评估等。准确获取热变形数据及热变形趋势，对于与晶圆、芯片相关行业的影响深远，效果显著。

芯片翘曲引起的焊接失效现象

热变形分析不当，出现各种失效现象

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DIC技术应用的优势

新拓三维XTDIC三维全场应变测量分析系统，基于数字图像相关技术，结合双目立体视觉技术和近景摄影测量技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量。

数字图像相关技术原理示意图

晶圆热变形测量分析示意图

1、晶圆热变形测量技术对比分析

• DIC技术（Digital Image Correlation）

• WLI技术（White Light Interferometery）

• 应变计（resistance strain gage technique）

2、DIC技术测量优势

DIC技术在晶圆热应变测量中的优势包括高分辨率（亚像素级别）、无接触测量（避免损伤）、全场分析（获取整个表面的应变分布）、快速获取数据（实时分析）、适应性强（可调设备和条件）、多种应用（静态和动态监测），以及数据可视化（直观展示应变场）。这些特点使其在半导体行业应用广泛，提升产品质量和可靠性。

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DIC技术用于晶圆热变形测量

晶圆热应变测量系统基于数字图像相关法原理，主体由XTDIC-CONST三维全场应变测量系统测头和高低温试验箱构成。系统可用于测量各种温度相关实验，支持测量应变场、位移场等多种数据。

XTDIC-CONST三维全场应变测量系统主要组成如下所示：

晶圆热变形测量方案在进行测量时，将被测件放置于密闭试验箱内，由温度控制器检测试验箱内的温度，通过升温模块和降温模块搭配使用对温箱温度进行控制。

试验过程中，XTDIC-CONST三维全场应变测量系统通过试验箱顶端玻璃视窗进行数据采集。采集过程中温度控制器将实时温度数据传输至XTDIC软件内，XTDIC软件通过实时温度对温度传感器进行控制，并于对应温度进行数据采集，实现自动控制。

高低温试验箱-温度范围：-40℃~200℃

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DIC技术热变形测量精度保证

使用DIC（数字图像相关）技术测量晶圆热应变时，会面临一系列难题，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。

1、 刚性位移

试验过程中由于温度的升高或降低，温度的变化不仅仅会影响到样件，还会影响到温箱腔体内的其他组件以及温箱支架等也会同时受热膨胀，导致被测物产生刚性位移，实际数据产生影响。软件针对开发刚性位移消除技术，开启后，可消除外界环境影响而产生的刚性位移，只显示被测物自身变化。

刚性位移消除前/趋势受外界影响 & 刚性位移消除后/只显示自身趋势

2、畸变校正

晶圆热应变测量系统中不仅仅涉及到镜头畸变，还收到高低温箱顶层视窗玻璃的畸变影响，所以常规标定方法仅可消除镜头畸变，难以避免外界玻璃产生的干扰。软件支持网格校正算法，计算视野内网格畸变程度，反向补偿畸变数据，使得全场各点数据误差均大幅减小。

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晶圆热变形测量典型应用

晶圆热应变测量方案如下所示，实验设置每间隔10℃为一个测试阶段（如下图所示共有0~15，共16个测试阶段）。每当到达指定温度后，温箱自动保温10min后进行图像采集。实验由0℃开始，150℃结束，详细计算步骤如下表所示：

晶圆热应变测量结果如下图所示，状态栏分别对应图表中的对应测试阶段，数据分别使用2D视图与3D视图两种方式显示，可直观观测晶圆热应变分布情况与变形趋势，详细测试结果如下表所示：

结语

Summary

DIC技术结合高低温试验箱，组成热变形翘曲测量系统，可在高低温不同温度条件下对印刷电路板(基板)与元器件之间的热匹配特性进行测量。实现对基板、元器件在不同温度下(模拟回流焊的温度变化)的翘曲度的检测。

通过测量样品的翘曲度变化，分析基板与元器件的匹配特性，以保证产品的焊接质量和可靠性。

新拓三维DIC设备可用于PCB、基板、BGA、IC、封装晶圆和薄膜框架晶圆等微电子器件在受热变形条件下的平整度共面性测量，也可用于微电子材料的热膨胀系数（CTE）和表面应变分布测量。