芯片翹曲在先進(jìn)封裝中成為一個日益嚴(yán)重的關(guān)注點，芯片各層材料熱膨脹系數(shù)的不同會導(dǎo)致熱變形的失配，從而產(chǎn)生機械應(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)及服役的各個環(huán)節(jié), 例如芯片生產(chǎn)工藝過程都會引起芯片熱翹曲。工作狀態(tài)下芯片自發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化，也會引起元件翹曲變形。過大的翹曲將會導(dǎo)致芯片開裂、芯片分層、焊點失效等問題。

在結(jié)構(gòu)熱翹曲的實驗觀測中，重點是測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量，適用于測量芯片Z方向位移以及翹曲。

XTDIC-MICRO三維顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)自帶一鍵自動標(biāo)定功能，可對圖像失真進(jìn)行校正，避免與傳統(tǒng)參數(shù)失真模型相關(guān)的問題。該標(biāo)定方法通過計算立體顯微鏡的非參數(shù)畸變場，可完全消除測量中的形貌和應(yīng)變偏差。

傳統(tǒng)測量方案的局限性

• 接觸式測量方法主要包括墊片法和接觸探針法，前者成本低且操作簡單，但測量精度較低。
• 接觸探針法具有較高的精度，但無法實現(xiàn)全場測量，無法動態(tài)監(jiān)測溫度變化過程的變形以及翹曲。
• 非接觸式測量，Moiré紋法在測量時，必須非常接近被測樣品表面, 導(dǎo)致在高溫環(huán)境下的測量受到諸多限制。
• 干涉法的測量精度較高，但由于鏡頭與樣品間的緊密性，不適用于高溫下的測量，此外還存在視場范圍小、測量時間長、光學(xué)裝置復(fù)雜昂貴等缺點。

顯微DIC技術(shù)熱翹曲測量方案

芯片翹曲測量，對于樣品及鏡頭的緊密性要求較高，高溫環(huán)境下測量時易灼傷鏡頭。新拓三維XTDIC-MICRO三維顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)采用非接觸式測量，且測量速度快，不受此限制，適用于熱翹曲過程的實時觀測。

為了實現(xiàn)熱翹曲的有效觀測，基于顯微DIC 技術(shù)搭建芯片熱翹曲測量平臺，開展典型疊層結(jié)構(gòu)熱翹曲測試，實現(xiàn)多層板在升溫過程中熱翹曲的實時觀測。

芯片表面制作耐高溫散斑

不同溫度下芯片加熱測試

熱翹曲實驗采用新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)及溫度控制器（溫控±0.1°C），制冷控制器, 光學(xué)冷熱臺面配備了絕熱罩及觀察窗，以降低空氣流動對樣品造成的擾動。

在實驗過程中, 參照爐溫曲線，設(shè)定合適的加熱臺溫度控制程序，測試溫度組分為三組：

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 200 °C，150 °C 也是《GJB 548B-2005 微電子器件試驗方法和程 序》中有關(guān)熱學(xué)實驗的常見指標(biāo)。
XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)完成整個翹曲過程的圖像采集, 在窗口中選定ROI區(qū)域為樣品的全部上表面，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。
芯片加熱翹曲實驗數(shù)據(jù)

采用DIC軟件分析計算芯片在每個溫度下的翹曲情況；輸出每個溫度點的翹曲云圖、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2D位移場及應(yīng)變場，對角線Z位移變化，最大翹曲的測量結(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2D位移場及應(yīng)變場，對角線Z位移變化，最大翹曲的測量結(jié)果為8um。

下圖為芯片在溫度180°C降低到30°過程中，分析芯片表面的離面位移得到翹曲分布，可分析全視場2D位移場及應(yīng)變場，對角線Z位移變化，最大翹曲的測量結(jié)果為6um。
新拓三維XTDIC-Micro系列顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)，結(jié)合雙目體式顯微鏡，可用于mm級視野尺寸下的力學(xué)行為測試，實現(xiàn)微小物體在不同溫度下表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測量，適用于IC、芯片、半導(dǎo)體及電子元器件CTE測量，對于芯片生產(chǎn)工藝及封裝中的熱翹曲力學(xué)性能測試具有重要意義。