用于翘曲测量的装置和方法与流程

用于翘曲测量的装置和方法


背景技术：

1.由于设计问题、材料缺陷和/或在其适当处理中，不平坦或翘曲是ic芯片制造中的常见问题。区分和剔除翘曲超过期望规格的组件的能力对设计资质和生产线很重要，这是因为它允许制造商发现制造步骤中的问题并保持产品质量。
2.利用一对相机的图像捕获和分析处理可以用作非接触式光学方法来跟踪和配准图像，以供精确的2d和3d测量，尤其是固体的变形和应变测量，诸如高级集成电路(ic)芯片。随着这些芯片变得更薄，ic芯片翘曲已经成为一个问题。在当前芯片技术的许多层中，使用具有不同热膨胀系数(cte)的材料会加剧该情况。


技术实现要素：

3.在一方面，提供了用于测量样本的表面平坦度、变形和/或热膨胀系数(cte)的系统，包括用于执行所述系统的图像捕获和分析处理校准的图像捕获和分析处理校准装置，用于测量样本架中的样本的表面变形和/或热膨胀系数(cte)的测量装置，其中，所述图像捕获和分析处理校准装置包括平台以及用于图像捕获和分析处理校准的校准目标，所述校准目标被配置为可旋转；用于测量样本架中样本的表面变形和/或热膨胀系数(cte)的测量装置，用于以预定曲线加热或冷却所述样本架的温度改变装置，以及用于在所述样本的表面上提供预定的加热或冷却曲线的控制装置，以及所述图像捕获和分析处理校准装置、所述测量装置和所述温度改变装置的控制操作，其中，所述测量装置包括图像捕获和分析处理模块，所述图像捕获和分析处理模块包括一对或多对数码相机，将光投射到所述样本上的一个或多个光源，以及用于测量样本的表面温度的温度测量装置，以在室温t1和预定温度t2下捕获样本表面的图像，以确定测试样本的表面上的表面平坦度、变形和/或热膨胀系数(cte)。
4.在另一方面，提供了用于测量样本的表面平坦度、变形和/或热膨胀系数(cte)的方法，包括(1)通过校准装置执行图像捕获和分析处理校准，所述校准装置包括平台和用于图像捕获和分析处理校准的校准目标，所述校准目标被配置为可旋转，(2)用测试样本替换校准装置，(3)将来自光源模块的光投射到有经设计的图案的所述测试样本，或者投射到印刷有经设计的图案的所述测试样本，或者投射到具有选定表面特征的所述测试样本，并通过测量装置拍摄所述测试样本的图像，所述测量装置包括图像捕获和分析处理模块，所述图像捕获和分析处理模块包括一对或多对数码相机、装配有用于将所述经设计的图案投射到所述样本上的经设计的图案投射装置的一个或多个光源以及测量所述样本的表面温度的温度测量装置，以在室温t1下捕获样本表面的图像，(4)经由温度改变装置将所述样本加热或冷却至t，并重复步骤(3)，在温度t下通过所述测量装置拍摄所述测试样本的图像，(5)使用图像捕获和分析处理装置处理所述图像，以确定由(t-t1)引起的应变，并基于步骤5的结果确定样本的表面平坦度，同时生成应变ε与温度的图。
5.交叉引用
6.本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如
同具体地且单独地指明每个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。
附图说明
7.在所附权利要求书中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考对在其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图中：
8.图1示出了一般工作机制。通过比较物体变形之前和之后的选定位置(见图1a)，可以如图1b所示计算出形貌和变形。
9.图2a/图2b示出了示例性校准组件(2a)和操作校准组件(2b)的机制。
10.图3a/图3b提供了根据实施方式图3a的示例性设备，该设备包括温度改变模块如加热室11、图像捕获和分析处理模块21以及计算机28。图3b提供了基于图3a的简化系统。
11.图4a至图4c示出了示例性表面关联实施方式(如样本的经设计的图案或选定特征)，以经由示例性设备来应用图像捕获和分析处理方法。图4a提供了被投射到或被印刷在样本的表面上的经设计的图案的代表性图像100。图4b示出了具有设计图案的示例性蚀刻玻璃(经设计的图案投射装置的示例)，该经设计图案用于与光源配合以将经设计的图案投射到样本的表面上。图4c示出了被选择用于图像捕获和分析处理测量的样本(从a到a’)的示例性表面特征。
12.图5提供了采用本发明系统进行样本的cte测量的程序的示例性流程图。
具体实施方式
13.2014年全球的半导体封装和测试市值达到了245亿美元，其中与翘曲相关的测试是不可或缺的一部分。ic芯片行业可以分为芯片设计、制造和封装与测试。翘曲测量分析在这些的每一项中均占有重要地位，尤其是在ic封装和测试如倒装芯片bga板组件，尤其是随着芯片大小的增加和无铅焊料的使用。例如，诸如sac305的无铅焊料的柔性较低，并且回流温度(260℃)高于旧铅焊料(230℃以下)。jedec规定，fcbga封装的翘曲必须小于一定值，以确保封装的可靠性。为了有助于此，已经研发出各种材料方法。芯片与基底之间的间隙填充有环氧树脂底胶，以帮助减轻由焊料凸点互连诱导的应力。虽然底部填充材料可以保护焊料凸点，但由于底部填充材料的膨胀系数(cte)非常高并且通过底部填充材料的较高耦合程度引入更多的翘曲，也加剧了ic芯片的弯曲变形。因此，翘曲是芯片设计中确定设计是否通过资质的关键规范之一。各公司常常不得不花费数百万美元来重新设计ic芯片只为满足翘曲规范。
14.然而，材料在高于其玻璃化转变的温度下变软。诸如应变仪、膨胀仪和热机械分析(tma)的用于测量cte的常规方法是难以测试软质材料的基于接触的方法论。当前的cte测量仪器被设计为通过施加预加载用探头压缩测试样品。即使很小的预加载也将使柔软的材料显著变形，并引入巨大的测量误差。在高于其玻璃化转变温度的条件下测量聚合物材料的cte一直是一个巨大的挑战。
15.因此，由于测量方法的原因，用当前的仪器不能很好地测量玻璃化转变温度(tg)以上的翘曲和cte测量。当前的翘曲测量设备正遭受较低分辨率、低效率和高成本的困扰，其中cte测量设备无法为材料在高于其玻璃化转变温度的较软状态下提供可靠测量。热分
析仪或膨胀计是接触式测量方法并且通常用于较硬固体材料或液体的热膨胀系数(cte)测量。cte是定义不同温度下材料膨胀和收缩的关键材料特性，其与芯片的可靠性直接相关。
16.涉及使用立体相机的图像捕获和分析处理(关联)是用于测量样本的表面平坦度和位移的、基于计算机视觉的非接触式光学技术。其原理是使用三角测量方法，经由从校准程序获得的相机系统，用参数重建空间坐标。它也可以用于跟踪物体变形时的运动，如跟踪经设计的图案的运动或定点运动。图1示出了一般工作机制。通过比较物体变形之前和之后的选定位置(参见图1a)，可以如图1b所示计算出形貌和变形。在一些实施方式中，为了使图像捕获和分析处理有效地工作，需要利用与其背景形成鲜明对比的独特图案。在一些实施方式中，为了使图像捕获和分析处理有效地工作，需要在物体变形之前和之后比较测试样本的选定固定特征。
17.本发明适用于在受控环境中样本的精确的翘曲、位移和cte测量的方法(例如，ic芯片翘曲测量)。例如，在一个实施方式中，本发明采用与受控温度改变模块(例如，加热或冷却室)相结合的图像捕获和分析处理模块来测量样品的cte。可以直接获得由加热或冷却引起的测试样品/样本上的应变，以供cte测定。测试样本在任意方向，特别是(x，y，z)三个方向上的应变由图像捕获和分析处理模块确定并且因此可以独立地用于各方向特别是x、y和z三个方向上的cte测定。这些对于复合材料或各向异性材料是必需的。测试样本可以是任何形状和尺寸，可以在没有任何固定设备的情况下将其放置在加热或冷却室内，从而消除了像传统的接触式cte测量设备那样准确地知道测试样本的长度的需求。
18.在一些实施方式中，图像捕获和分析处理模块包括一对或多对数码相机(例如，一对、两对、三对或四对或更多数码相机)、将光投射在样本上的一个或多个光源模块以及测量样本的表面温度的温度测量装置。在某些实施方式中，光源模块投射可见光或不可见光。在某些实施方式中，光源模块投射光的选定波长，如绿光(510nm)和蓝光(470nm)。在某些实施方式中，光源还装配有经设计的图案投射装置，以将所述图案投射在样本上。在某些实施方式中，将经设计的图案印刷在样本上。在某些实施方式中，选择样本的特征以合并到图像捕获和分析处理测量中。
19.在一些实施方式中，光源模块包括自发发射光源、放大的自发发射光源、超发光二极管、发光二极管(led)、宽带超连续谱光源、锁模激光、可调激光、傅立叶域锁模光源、光学参量振荡器(opo)、卤素灯或掺杂晶体光纤。在某些实施方式中，光源模块包括经设计的激光光源，其具有其相应的衍射光学元件以投射经设计的图案。
20.在一些实施方式中，光源模块是应用于较大投射面积的激光投射系统。本领域技术人员考虑到投射区域的大小、样本的表面特征和/或其他适当选择光源的条件将容易认识到适当的光源模块。
21.在某些实施方式中，经设计的图案投射装置是用于生成在指定平面上具有精确限定的尺寸的复杂光图案的衍射光学元件。衍射光学元件的使用可以应用于具有黑色表面和/或不适用印刷方法的样本。
22.为了获得精确的测量，需要校准过程来校准立体相机。只有在校准之后，才能经由立体视觉系统鉴别真实的三维位置。
23.在一些实施方式中，标准网格被用于校准图像捕获和分析处理装置。这可以用于获得图像捕获和分析处理装置中的立体相机的真实相对位置的参数，并且这些参数将在测
量样品时保持不变。在热室中具有标准网格的情况下，可以校准图像捕获和分析处理装置，并且可以通过折射获得两个相机的相对位置。
24.图2a提供了示例性的校准组件，其中在表面上刻有网格的校准目标32在由机械装置支撑和操作的平台31的顶部并经由键盘36由计算机控制。图2b示出了所述校准组件30的操作方案。校准组件包括平台31、在校准中使用的校准目标32和键盘36。在一些实施方式中，校准目标32是其表面上刻有或印刷有网格或圆、网格或点之间具有固定距离的平板。在一些实施方式中，在实际测量样品之前，远程控制校准组件30任意的方向，特别是沿x、y或z轴旋转并通过键盘36在旋转方向特别是x、y或z方向上平移校准目标32。出乎意料的是，在进行图像捕获和分析处理测量之前，需要在温度改变模块内部进行这样的校准，以确保结果的准确性。为了获得高准确性，执行校准目标在许多自由度上的旋转。在一些实施方式中，该旋转是相对于目标32的网格或点的至少20次旋转。在温度改变模块的封闭环境中测量样本之前，这样的校准组件可以重复地提供快速、高准确性。
25.本发明包括用于测量测试样本、设备或元件的cte的方法。方法优选地包括用于容纳和加热样本的加热室、一组或多组数码相机(例如，两个数码相机)、热成像相机、照明源和计算机。方法包括以下步骤：校准图像捕获和分析处理模块；将样本的表面修改为具有经设计的图案或利用样品表面上的现有图案/特征；将样本放置在加热室内；使用投射光源(例如，照明光源)从温度改变装置(例如，加热室)外部向样本表面投射(例如，照明)一定的光；使用一组或多组立体相机(例如，两个或四个)在室温t1下捕获样本表面的图像；将样本加热或冷却至预定温度t2，再次拍摄样本表面的图像；评估在t1和t2下捕获的图像以使用3d-vic确定在测试样本表面上的应变。使用以下等式确定cte：其中ε是由温差δt＝t
2-t1引起的可变形固体中的应变。方法还包括在多个温度下拍摄多个图像以形成应变与温度的曲线。根据特定温度下曲线的斜率确定不同温度下的cte。也可以从该曲线确定温度范围内的平均cte。计算机用于控制设备和测量计算。
26.在一些实施方式中，系统或设备包括图像捕获和分析处理模块、温度改变模块(如红外加热设备，或对流加热设备，或其组合)和系统控制装置(如计算机)。
27.在一些实施方式中，温度改变模块提供了1)测试样品的所需温度曲线；2)样品加载区域内均匀的温度分布；3)预定的苛刻的温度上升速率。在某些实施方式中，温度改变模块利用红外辐射或对流来升高样本温度。
28.在一些实施方式中，图像捕获和分析处理模块包括至少一对相机(即，立体相机)。在某些实施方式中，一对相机用于获取较小的视野以保持高分辨率，而另一对相机用于观看较大的视野。在某些实施方式中，每个相机都使用滤镜以滤除光的一定波长，以增加相机图像传感器捕获的图像对比。
29.在一些实施方式中，图像捕获和分析处理模块包括选定的光源，例如蓝光(波长455nm)或近红外光(不可见光)，以将光投射到样品的表面上。通过投射光的特定波长(例如，蓝光)，不需要对样品进行上漆(换言之，污染或破坏)，具有滤镜的相机仍可以看到具有良好对比的图案，并因此可以无损地进行测量。在某些实施方式中，光源被装配有经设计的图案投射装置，以将所述设计图案投射到样本上。在某些实施方式中，经设计的图案投射装置是蚀刻的玻璃、塑料或具有经设计的图案的任何合适材料。
30.在一些情况下，温度改变模块使用红外石英加热元件在几秒钟的时间范围内辐射大量能量。在一些情况下，温度改变模块使用对流(例如，热空气)在几秒钟的时间范围内升高温度。可以以至多5c/s的快速升温速率加热测试样品。在一些实施方式中，温度改变模块使用红外热、对流或其组合。加热系统中的温度控制器根据预定和所需的温度曲线来控制样品温度。温度改变模块在样品加载区域中具有均匀的温度分布，从而使批次中的每个样品在每个设定点处具有相同的温度。这是通过将红外加热器(或对流加热器，或其组合)放置在优化热量分布图案中实现的。辐射是主要的热传递，但是对流也起着重要的作用，尤其是对于顶部加热。
31.在红外加热器中，每个样品接收的辐射能量与其到加热器的距离成反比。由于以批次处理模式对样品进行测试，因此每个样品将不会接收到相同量的辐射能量，并因此取决于其位置而升高到不同的温度水平。在一些实施方式中，抛物线反射器用于将辐射能量投射到几个聚焦区域中。在该方式中，期望批次中的每个样品在某个时间点具有相似的温度。同时，样品将从顶部和底部被加热，并且这将确保单个样品内的温度均匀性，因为ic芯片材料的传导率低并需要数十秒将热量从一侧传导到另一侧。
32.系统控制装置控制整个系统和测量过程，包括相机校准、不同温度下的图像捕获和自动数据处理。例如，计算机等连接到相机、温度改变模块以及图像捕获和分析处理模块以实现自动测试程序，包括相机校准、温度升高和冷却、图像捕获、图像处理和结果生成。
33.在一些实施方式中，诸如计算机的控制装置将向图像捕获和分析处理模块发送信号，以在校准阶段相应地捕获图像对。全部20对或更多图像将用于校准相机系统。发现执行校准步骤至关重要。否则，系统会无法实现测量的高准确性。与任何已知的校准组件不同，本发明的组件以实用的方式提供高准确性和快速操作。
34.在一些实施方式中，提供了用于测量样本的表面平坦度、变形和/或热膨胀系数(cte)的系统，包括用于执行系统的图像捕获和分析处理校准的图像捕获和分析处理校准装置，用于测量样本架中的样本的表面变形和/或热膨胀系数(cte)的测量装置，用于以预定曲线加热或冷却样本架的温度改变装置，以及用于在样本的表面上提供预定的加热或冷却曲线的控制装置，以及图像捕获和分析处理校准装置、测量装置和温度改变装置的控制操作。在某些实施方式中，所述图像捕获和分析处理校准装置包括平台和用于图像捕获和分析处理校准的校准目标，该校准目标被配置为可旋转。在某些实施方式中，所述校准目标是其表面上刻有或印刷有网格或圆、所述网格或点之间具有固定距离的平板。在某些实施方式中，所述图像捕获和分析处理校准装置被放置在温度改变装置中。在一些实施方式中，测量装置包括图像捕获和分析处理模块，以在室温t1和预定温度t2下捕获样本表面的图像，以确定测试样本表面的表面平坦度、变形和/或热膨胀系数(cte)。在某些实施方式中，图像捕获和分析处理模块包括一对或多对数码相机、将光投射到样本上的一个或多个光源以及用于测量样本的表面温度的温度测量装置。在某些实施方式中，所述一个或多个光源装配有经设计的图案投射装置以将经设计的图案投射到样本上。在某些实施方式中，所述经设计的图案投射装置是具有经设计的图案的蚀刻玻璃。在某些实施方式中，所述光源将光投射到印刷有经设计的图案的样本的表面。在某些实施方式中，所述光源将光投射到样本的选定的表面特征。在某些实施方式中，温度测量装置是热成像相机。
35.在一些实施方式中，温度改变装置包括具有温度控制器的温度改变模块，以根据
预定的和期望的温度曲线来控制样本的温度。在某些实施方式中，温度改变模块利用红外辐射或对流来升高样本温度。在某些实施方式中，所述温度改变模块包括外箱、加热元件、温度控制器、一个或多个热电偶、温度改变模块内部的样本架以及在由钠钙玻璃或石英玻璃制成的温度改变模块的顶部的透明窗口。
36.在一些实施方式中，所述控制装置是计算机。
37.在一些实施方式中，提供了用于测量样本的表面平坦度、变形和/或热膨胀系数(cte)的方法，包括(1)通过校准装置执行图像捕获和分析处理校准，所述校准装置包括平台和用于图像捕获和分析处理校准的校准目标，所述校准目标被配置为可旋转，(2)用测试样本替换校准装置，(3)将来自光源模块的光投射到有经设计的图案的所述测试样本，或者投射到印刷有经设计的图案的所述测试样本，或者投射到具有选定表面特征的所述测试样本，并通过测量装置拍摄所述测试样本的图像，所述测量装置包括图像捕获和分析处理模块，所述图像捕获和分析处理模块包括一对或多对数码相机、装配有用于将所述经设计的图案投射到所述样本上的经设计的图案投射装置的一个或多个光源以及测量所述样本的表面温度的温度测量装置，以在室温t1下捕获样本表面的图像，(4)经由温度改变装置将所述样本加热或冷却至t，并重复步骤(3)，在温度t下通过所述测量装置拍摄所述测试样本的图像，(5)使用图像捕获和分析处理装置处理所述图像，以确定由(t-t1)引起的应变，并基于步骤5的结果确定样本的表面平坦度，同时生成应变ε与温度的图。
38.示例性设计
39.图3a至图3b。作为说明目的，提供了根据实施方式图3a的示例性设备，设备包括诸如加热室11的温度改变模块、图像捕获和分析处理模块21以及计算机28。图3b提供了基于图3a的简化系统。
40.加热室(模块)11由外箱18、加热元件15、温度控制器16、一个或多个热电偶19、用于将样本14保持在加热室11内的样本架13组成。通常采用在由钠钙玻璃或石英玻璃等制成的加热室11的顶部上的透明窗12，尽管它也可以位于加热室11的另一侧。
41.通常将图像捕获和分析处理模块21放置在加热室11上方。图像捕获和分析处理模块包括一对数码相机23(即，立体相机)和装配有具有经设计的图案的蚀刻玻璃的光源22(如图3b所示的图案投射器的示例)。在一些实施方式中，在没有装配蚀刻玻璃的情况下，将印刷在表面上的经设计的图案或样本的选定表面特征与光源模块结合使用。相机23以一定距离隔开，并且聚焦在加热室11的窗口12的内部并通过加热室11的窗口12的样本14上。此外，热成像相机24也聚焦在样本表面上以供瞬时温度测量。
42.相机23、热成像相机24和加热室11由计算机28连接和控制。在应用本发明方法之前，首先如本文所述采用校准。
43.然后，需要一定的表面相关特征(如经设计的图案或选择的固定点)以经由示例性装置来应用图像捕获和分析处理方法。图4a提供了被投射到或被印刷在样本的表面上的经设计的图案的代表性图像100。图4b示出了具有设计图案的示例性蚀刻玻璃(经设计的图案投射装置的示例)，该经设计图案用于与光源配合经设计图案的以将经设计的图案投射到样本的表面上。在其他实施方式中，可以通过喷漆、气刷、具有喷漆的穿孔板或牙刷以及多种类似方法来印刷或生成测试样本表面上的经设计的点或斑点的图像。图4c示出了被选择用于图像捕获和分析处理测量的样本(从a到a’)的示例性表面特征。
44.图5是示出用于描述使用图4所示的示例性装置的cte测量方法的示例性流程图的框图。
45.首先，在步骤s100中，为了执行cte测量，执行图像捕获和分析处理模块21的校准。校准组件30被放置在样本架13上的加热室11内。在来自光源22的光通过窗口12照射在校准目标32的表面上的情况下，两个数码相机23聚焦并拍摄校准目标32的图像。校准组件31通过由远程键盘36控制和指定的旋转和/或平移来移动校准目标32。通过两个数码相机23拍摄校准目标在样本架13上的几个方向和位置上的表面图像。然后，这些图像用于通过计算机28的相关性分析来完成图像捕获和分析处理模块21的校准。
46.在步骤s200中，将具有经设计的点图案100(来自经由光源的投射或专门印刷而成)的待测试材料的样本14放置在样本架13的顶部，以替换校准组件31和32。
47.在步骤s300中，由相机23在室温t1下通过加热室11的窗口12拍来摄样本表面的数字图像。
48.在步骤s400中，激活加热元件15以将室11加热至预定温度t＝t2。温度t由热电偶19和/或热成像相机24读取。
49.在步骤s500中，由相机23在温度t下拍摄样本表面的数字图像。
50.在步骤s600中，在计算机28中使用在步骤s300和步骤s500中从两个相机23拍摄的图像执行图像捕获和分析处理计算，以确定在每个温度下的表面平坦度和由温度t1到t的热膨胀引起的样本14的三维应变ε。然后，通过cte＝ε/δt确定cte，其中δt＝t-t1并且ε是在t下的应变。
51.在步骤s700中，判断为测量cte而测试的温度的数目。如果为否，则过程返回到步骤s400并且对于通常高于t2的新温度t＝t3重复步骤s400、s500和s600。如果为是，则操作进入下一步骤s800。
52.在步骤s800中，计算机28针对测试的温度生成翘曲和/或应变ε与温度t的曲线。在应变ε与温度t的曲线上的温度ta处的斜率是特定温度ta下的cte。也可以从该曲线确定温度范围内的平均cte。由图像捕获和分析处理确定的来自样本表面不同方向的应变值也可以用于创建曲线，以测量各向异性材料在不同方向上的cte。
53.尽管本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员容易理解的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。以下权利要求书旨在限定本发明的范围，并因此涵盖这些权利要求及其等效项的范围内的方法和结构。