高温环境下的DIC测量：DIC技术用于芯片热翘曲与变形测量

新拓三维XTDIC非接触三维应变测量系统，结合高低温试验箱模拟芯片实际服役与制造过程中的温度工况，精准捕获升温、恒温和降温全周期的翘曲与全场应变数据。

芯片试样实际尺寸：6英寸

芯片由多种异质材料复合构成，不同材料热膨胀系数存在明显差异，高温环境下会诱发晶圆、芯片产生翘曲变形，本质是各组分热膨胀系数（CTE）的固有差异，在温度变化时无法协同变形而产生的内应力累积与释放过程。精准获取全温域下晶圆、芯片的全场热变形、翘曲与应变数据，是芯片结构设计、封装工艺优化、可靠性评估不可或缺的关键依据。

DIC技术分析晶圆热翘曲变形示意图

主流晶圆热变形测量技术对比

半导体行业针对晶圆热翘曲检测有多种技术路线，不同方案在测量模式、数据类型、测试精度上各有取舍。

WLI白光干涉技术，尽可获取局部区域与单点数据，应变计采用接触式测量，仅支持小范围局部测点数据，虽然两者精度可以达到1μm级别。

相较于其余手段，DIC技术可获取全场动态完整数据，离面精度0.5μm，面内精度可达1μm,测量条件灵活可调、测试结果可视化输出，可完整还原晶圆温度变化全过程的变形演化规律，已经成为半导体热变形表征的重要工具。

XTDIC-CONST三维全场应变测量系统主要组成如下所示：

试验过程中，XTDIC-CONST三维全场应变测量系统,搭配高低温试验箱对芯片进行温度加载。

高低温试验箱-温度范围：-40℃~200℃

高温DIC测量难点与措施

常规 DIC 测试在开放室温环境即可开展，但穿过温箱视窗开展高温晶圆测试会引入多项特有干扰，直接使用通用算法会带来显著测量偏差，本系统针对性开发对应算法完成问题抑制：

1、环境带来的刚性位移干扰

温度变化除了使晶圆自身发生热变形，还会造成温箱腔体、内部工装支架受热发生膨胀、移位，带动样品产生整体刚体位移，会掩盖晶圆本身真实翘曲数据。

新拓三维DIC测量系统内置刚性位移消除算法，可剔除工装受热带来的整体刚体运动分量，仅保留晶圆材料本身产生的变形翘曲结果，还原样品真实变形趋势。

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、温箱视窗玻璃引入的光学畸变

测试光路需要穿透高低温箱顶部视窗玻璃，除镜头固有畸变之外，视窗玻璃会引入额外光学畸变；普通相机标定只能校正镜头畸变，无法补偿视窗带来的全场畸变误差。

新拓三维DIC测量系统采用网格畸变校正算法，定量计算整个视场范围内畸变分布，对采集图像做反向补偿校正，有效降低全场各个位置的测量误差，保障全晶圆范围数据的可靠性。

晶圆高温热变形试验及结果分析

试验条件

l 被测样品：6英寸单晶硅晶圆，直径150 mm，厚度1 mm；

l 温度载荷：测试区间0 ℃～150 ℃，设置16个温度测试台阶S0~S15，每升高10 ℃为一个测试节点；到达目标温度后保温10 min 再采集图像，消除温度梯度影响；

l 输出结果：输出每个温度节点晶圆二维应变云图、三维翘曲形貌，以及平均离面位移数据。

DIC软件分析数使用2D视图与3D视图显示，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：

从2D云图与3D形貌结果可见：随着温度不断上升，单晶硅晶圆整体翘曲程度不断演化，在 120 ℃平均离面位移达到297 μm，是本次测试的变形峰值；继续升温至130150 ℃，平均位移数值有所波动，反映晶圆内部热应力随温度发生重分布，翘曲形貌模式也同步改变。

依靠DIC全场测量能力，不仅能读取单点位移数值，还能够完整观察晶圆不同区域变形的差异，识别局部高应变区域。

案例应用总结

新拓三维基于DIC技术的高温翘曲测量系统，可针对封装晶圆、薄膜框架晶圆、PCB、基板、BGA、IC等微电子器件开展热工况下平整度、共面性、翘曲度测量；同时可完成微电子材料热膨胀系数CTE、表面全场应变分布测试，覆盖半导体工艺研发、封装设计、可靠性验证多环节，为解决热致翘曲带来的各类封装失效问题提供量化测试手段。