一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测方法

本发明涉及多层芯片堆叠与倒装键合过程的工艺检测，更具体的说是一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测方法。

背景技术：

1、多层芯片堆叠键合是集成电路先进封装的核心工艺，通过将多枚芯片纵向互连堆叠，可实现器件小尺寸、低功耗、高集成度的特性，在有限空间内释放更强性能，同时降低对单一芯片制程的严苛要求，兼具集成效率与成本优势。然而，随着堆叠层数增加与芯片间距缩小，焊点虚焊、空洞、裂纹等缺陷发生概率显著上升，现有传统检测方法多为离线操作，存在检测周期长、设备成本高的问题，且难以兼顾检测效率与精度，导致芯片生产良品率受限。因此，亟需一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测方法，实现缺陷的快速筛选与精准定位，满足键合过程中实时质量管控的需求。

2、原位检测技术是一门与传感原理、信号处理技术、智能算法及精密控制技术密切相关的快速发展学科，广泛应用于电子器件缺陷识别、先进制造质量管控、工业生产过程溯源等多个领域。其基本原理为：不同状态的检测对象在物理或化学特性上存在差异，在不破坏对象结构、不中断生产流程的前提下，通过传感设备实时采集目标区域的特征信号（如温度、声学、光学等），经分析处理后可判断其内部状态与缺陷情况。因此，原位检测技术具有非破坏性、在线同步、响应迅速、过程信息完整等突出优点。随着技术的深入研究与发展，其展现出更广阔的应用前景，例如通过优化传感设备精度与信号采集频率，实现微小缺陷的精准捕捉；利用机器学习、深度学习等智能算法，完成缺陷类型的自动分类与量化评估；整合多模态传感数据，构建综合检测体系，突破单一信号检测的局限，全面提升复杂制造场景下的检测可靠性与适用性。

3、粗-精结合缺陷原位检测技术是一种融合相控阵超声探测原理、菲涅尔声学聚焦机制、精密机械控制与信号智能处理的创新检测方案，专门应用于多层芯片堆叠键合过程中焊点缺陷的快速筛查与精准定位。其核心设计逻辑为：以相控阵超声检测作为“粗检”环节，利用相控阵探头的多阵元电子扫描特性，可快速覆盖芯片堆叠全区域与全深度，通过超声波在不同介质中的传播与反射差异，高效锁定疑似虚焊、空洞、裂纹等缺陷的大致范围，实现大范围、高速度的缺陷初筛；以菲涅尔透镜检测作为“精检”环节，菲涅尔透镜作为声学聚焦核心元件，由一系列同心圆环构成，基于波的衍射原理，通过刚性材料蚀刻制作的圆环形成由里向外依次变窄的狭缝，配合超声换能器使用时，超声波经狭缝后发生衍射并向中心聚焦，显著增加声能流密度且缩小测量面积，大幅提升空间分辨率，对粗检锁定的疑似区域进行定点精准探测，明确缺陷的具体类型、尺寸与位置。该技术通常应用于多层芯片堆叠键合的实时质量管控场景，然而目前仍面临一些待解决的挑战，包括粗-精检测环节的协同响应速度优化、系统的设备集成度提升以及如何进一步提高系统纵向与横向分辨率。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决多层芯片键合过程中封装与精检不同步导致的芯片质量管控滞后与生产效率不高的问题，提供一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测方法，实现缺陷的快速筛选与精准定位，满足键合过程中实时质量管控的需求。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：第一方面，本发明提供一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测方法，包括以下步骤：一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤一、键合与粗检阶段：在多层芯片堆叠完成后，驱动第一相控阵超声探头移动至预设工位，利用所述第一相控阵超声探头发出的超声振动辅助芯片层间键合，促进焊点成型；键合完成后，通过所述第一相控阵超声探头对芯片全区域进行粗检，采集全域超声反射信号并传输至上位机，锁定疑似虚焊、空洞、裂纹缺陷的大致范围；

4、步骤二、精检阶段：由上位机解析并输出粗检阶段锁定的疑似缺陷区域坐标，坐标解析主要针对粗检阶段得到数据后，解出坐标后用于精检阶段；基于粗检阶段的相控阵电子扫描的回波数据，提取缺陷回波的渡越时间t与对应声束偏转角θ，结合介质声速c解算缺陷在探头坐标系下的平面坐标与深度，驱动菲涅尔透镜精检系统移动至目标区域，使菲涅尔透镜精检系统中的所含有的菲涅尔透镜与第二相控阵超声探头以及芯片待检测区域都位于超声传输路径上；精检环节中超声波的发射源与接收端均为菲涅尔透镜精检系统中的第二相控阵超声探头，先由菲涅尔透镜精检系统中位于发射端的第二相控阵超声探头向菲涅尔透镜方向发射平行超声波，超声波经所述菲涅尔透镜聚焦后精准作用于疑似缺陷位置；超声波经缺陷界面反射后沿原路径返回，由位于接收端的第二相控阵超声探头接收反射回的高频声波并转化为电信号，经滤波、放大处理后传输至上位机，通过图像重建技术实现高分辨率成像，精准判定缺陷的类型、尺寸及空间位置；

5、步骤三、循环检测阶段：单个疑似区域精检完成后，根据检测规划移动设备，重复步骤一至步骤二，依次完成芯片所有区域的粗检与精检，全面获取多层堆叠芯片的键合质量与缺陷分布动态数据。

6、进一步地，步骤一中，通过控制第一相控阵超声探头的各阵元发射延迟与相位偏转，实现对芯片全区域、全深度的超声扫描覆盖，快速锁定疑似缺陷的大致范围。

7、进一步地，步骤一中，利用超声波在不同介质中的传播与反射差异，识别焊点区域的声学特征异常，从而区分并锁定疑似虚焊、空洞、裂纹缺陷的大致范围。

8、进一步地，虚焊、空洞、裂纹缺陷的可区分声学与成像特征为：虚焊缺陷在超声成像中表现为边界模糊、灰度对比度低，且回波信号的共振频率相较于完好焊点发生明显下降；空洞缺陷在超声成像中呈现高反射幅值的点状亮斑，回波信号峰值显著高于完好焊点区域；裂纹缺陷在超声成像中呈现高反射幅值的连续线状亮纹，回波信号沿缺陷延伸方向呈连续分布。

9、进一步地，步骤二中，所述图像重建技术包括三维重建图像技术，用于实现高分辨率三维成像，精准判定缺陷的类型、尺寸及空间位置。

10、进一步地，在检测之前还包括调整芯片姿态，保障多层芯片层间对准精度，消除芯片倾斜对后续超声信号传输及信号检测结果的影响。芯片倾斜会造成超声入射角度偏移、声程畸变、回波能量衰减与焦点偏移，引发缺陷定位失准、幅值判读失真与杂波干扰，直接降低检测精度与缺陷识别可靠性。

11、第二方面，本发明提供一种面向键合过程的粗-精结合缺陷原位检测系统，包括：上位机，用于接收粗检阶段与精检阶段的超声波反射信号，解析并输出疑似缺陷区域坐标，控制驱动机构将菲涅尔透镜精检系统移动至目标区域，并采用三维重建图像技术生成高分辨率三维缺陷图像；支撑架，为刚性承载框架，连接固定各功能模块，为键合、粗检、精检全过程提供稳定的安装基准，保障各模块协同工作的位置精度；力传感器，与第一相控阵超声探头机械配合连接，用于实时监测键合过程中第一相控阵超声探头与芯片的接触压力，精准反馈压力数据以保障超声辅助键合的压力参数稳定；第一相控阵超声探头用于发出特定参数的超声振动辅助芯片层间键合，并通过多阵元电子扫描实现芯片全区域粗检，快速锁定疑似缺陷范围，同时接收反射声波并转化为电信号传输至上位机；键合台，为芯片承载平台，用于固定多层堆叠芯片，配合加热模块为键合过程提供所需温度环境，并作为检测的基准载体保障检测区域的稳定性；菲涅尔透镜精检系统包含菲涅尔透镜与第二相控阵超声探头，所述菲涅尔透镜用于将超声聚焦至粗检锁定的疑似缺陷区域，提升检测空间分辨率，精准识别缺陷类型与位置；六轴调平机构，与键合台连接，用于调整芯片的姿态，保障多层芯片层间对准精度，同时消除芯片倾斜对后续超声信号传输及信号检测结果的影响；纵向位移台，与第一相控阵超声探头和力传感器连接，用于带动第一相控阵超声探头沿垂直方向移动，使第一相控阵超声探头运动至预期位置，实现多层芯片的键合，同时完成对键合成品的粗检。

12、进一步地，所述菲涅尔透镜由金属或非金属材料制成，由一系列同心圆环构成，基于波的衍射原理，通过刚性材料蚀刻制作的圆环形成由里向外依次变窄的狭缝，菲涅尔透镜中心为空洞。

13、设计菲涅尔声透镜的宽度w和焦距f，基于菲涅尔声透镜的焦距f和菲涅尔声透镜及传播介质的声速，确定菲涅尔声透镜的曲率半径r，按照工艺要求确定菲涅尔声透镜的厚度d，形成公式为：

14、

15、其中是第n个菲涅尔区的半径，为相控阵超声波长，f为透镜焦距，n为菲涅尔区数。

16、进一步地，所述菲涅尔透镜由纯钨材料经精密蚀刻工艺加工制成，透镜厚度为0.05mm，整体由一系列同心圆环构成并形成由里向外依次变窄的狭缝结构；所述菲涅尔透镜的工作频率范围为10mhz～50mhz，标称焦距为10cm，焦点半峰全宽为50μm，数值孔径为0.2，数值孔径为无量纲物理量，无单位，其定义为声束半孔径角的正弦值与介质等效折射率的乘积；其基于波的衍射原理，超声波经所述狭缝后发生衍射并向中心聚焦，提升声能流密度、缩小有效测量面积，提升检测空间分辨率；所述菲涅尔透镜通过透镜支架由驱动机构带动，在粗检工位与精检工位之间移动。

17、进一步地，所述第一相控阵超声探头兼具超声辅助键合与粗检双重功能，键合用超声参数与检测用超声参数不相同，由上位机根据工艺阶段自动完成参数切换；键合阶段采用低频高功率超声参数，发射频率范围为5mhz～15mhz，输出充足振动能量以辅助芯片层间键合并促进焊点成型；粗检阶段采用高频低功率超声参数，发射频率范围为15mhz～30mhz，通过多阵元电子扫描发射并接收反射声波，将声信号转化为电信号传输至上位机，实现全芯片区域的缺陷初筛。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、1.突破现有键合-检测分离模式下质量管控滞后、缺陷识别精度不足的局限，提出相控阵超声辅助键合+粗检+菲涅尔透镜精检的同步化原位检测方案，相比传统单一检测方法能更高效地实现键合过程与缺陷检测的协同推进。

20、2.通过相控阵超声探头兼顾辅助键合与全域粗筛，配合菲涅尔透镜将超声聚焦至疑似缺陷区域，可在多层芯片键合过程中同步捕捉各层焊点的状态特征与缺陷信息，既保障键合工艺的稳定性，又能实时锁定潜在问题。

21、3.粗-精结合的检测逻辑在保障键合效率的同时，大幅提升了缺陷识别的精准度；键合过程中的动态检测数据，既能直观反映焊点成型的微观过程，也能基于不同阶段的检测结果优化键合参数与流程，在提高加工良品率的同时，为后续键合工艺的迭代升级提供精准的过程数据支撑。