CN112857244B - 一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子封装检测分析领域，并具体公开了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法和系统。该方法具体为：对载物台的参考平面投影散斑图案并带动其上升，以此采集一系列参考图像；载物台归位，将待测微电子基板放置在载物台上加热并投影散斑图案，以此采集变形图像；将变形图像和参考图像进行匹配，选定最接近变形图像偏移值的参考图像为分析图像，进一步求得变形图像精确的整像素和亚像素偏移值，从而获得散斑的实际偏移值，并利用其计算该散斑所在处的面外位移；重复上述步骤，以此得到待测微电子基板的全场面外位移。该方法将散斑投影应用于微电子基板翘曲测量中，不需要制样，最大程度还原了试样表面的真实形貌。
Description
技术领域
本发明属于微电子封装翘曲检测分析领域，更具体地，涉及一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法和系统。
背景技术
微电子芯片封装过程中的温度变化，使基板内部积聚大量的残余应力，产生翘曲变形。封装基板翘曲会影响各种微电子制造工艺中的器件性能，涉及可靠性、线宽及关键尺寸的控制等，直接影响堆叠式芯片封装以及2.5D或3D封装的质量。此外封装芯片在工作状态下，也会出现受热翘曲变形，对基板搭载的电子器件可靠性产生影响。
在基板翘曲的测量过程中，以不破坏或者改变基板表面的形貌为宜，必须做到全场原位无损检测。目前常用的检测方法包括接触式测量和非接触是测量，其中接触式测量常用的方法包括三坐标测量法，该法效率低，且测头和试样表面的接触力将引入额外的测量误差。
而在非接触测量技术中，三维数字图像相关方法被用来测量物体表面的形貌。在变形物体表面具有空间唯一性特征的前提下，三维数字图像相关方法可测量物体表面的面外位移和面内位移，是一种非接触的光学变形测量方式。但是物体表面的特征往往不符合空间唯一性的要求，这时需要通过化学刻蚀，喷撒散斑等方式在物体表面人工生成空间唯一性的特征。这势必会破坏并改变试样表面原始形貌，污染试样并影响测量结果的准确性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法和系统，其中该方法将散斑投影应用于微电子基板翘曲测量中，不需要在试样表面制作散斑，最大程度还原了试样表面的真实形貌，并且避免对试样表面产生破坏。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，该方法具体包括如下步骤：
S1对载物台的参考平面投影散斑图案，并带动所述载物台沿Z轴等距离上升，以此采集所述参考平面的散斑偏移图像作为参考图像，同时根据所述参考平面的高度计算各个所述参考图像的理论像素偏移值；
S2所述载物台归位，将待测微电子基板放置在所述载物台上加热，同时对所述待测微电子基板投影散斑图案，以此采集该待测微电子基板的变形图像；
S3对所述变形图像的初始整像素偏移值与参考图像的理论像素偏移值进行匹配，进而将所述参考图像中最接近所述变形图像的散斑偏移图像作为分析图像；
S4对所述分析图像进行亚像素灰度插值和搜索，根据所述分析图像求得所述变形图像的精确整像素偏移值和亚像素偏移值，以此获得所述散斑的实际偏移值，并利用其计算该散斑所在待测微电子基板处的面外位移；
S5对所述待测微电子基板全场的散斑重复步骤S3-S4，以此得到所述待测微电子基板的全场面外位移。
作为进一步优选地，步骤S1中，对载物台的参考平面投影散斑图案之前，对投影仪和相机进行标定，通过将所述投影仪和相机的内外参数进行联立，获得所述投影仪和相机之间的基线距离、相机焦距和单个像素点的实际物理尺寸。
作为进一步优选地，步骤S2还包括采集所述待测微电子基板的红外图像，以此获得所述待测微电子基板的温度场，用于与所述待测微电子基板的全场面外位移耦合，以定点分析面外位移和温度的关系。
作为进一步优选地，步骤S1中，参考图像的理论像素偏移值Sn为：
式中，B0为投影仪与相机之间的基线距离，f0为相机焦距，P0为单个像素点的实际物理尺寸，L0为所述参考平面的初始深度，n为载物台上升次数。
作为进一步优选地，步骤S4中，利用下式计算散斑所在待测电子基板处的面外位移：
式中，Z为散斑所在待测电子基板处的面外位移，D0为散斑所在待测电子基板处的初始深度，Sc为变形图像精确的整像素偏移值，Si为变形图像精确的亚像素偏移值。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统，该系统包括移动单元、测量单元和控制单元，其中：
所述移动单元包括环境加热炉以及设置在所述环境加热炉内部的载物台和竖直平移台，所述环境加热炉用于加热待测微电子基板；所述载物台的上表面作为参考平面，用于接收投影散斑图案以获得一系列参考图像，同时还用于放置待测微电子基板；所述竖直平移台设置在所述载物台的下方，用于带动所述载物台沿竖直方向上下移动；
所述测量单元包括固定在所述环境加热炉上方开口的熔融石英观察窗，以及垂直所述熔融石英观察窗表面上方的投影仪和CCD相机，所述投影仪用于透过所述熔融石英观察窗向所述待测微电子基板投影散斑图案；所述CCD相机用于透过所述熔融石英观察窗采集所述参考平面和待测微电子基板的参考图像和变形图像；
所述控制单元用于控制所述移动单元和测量单元，以此完成微电子基板翘曲测量。
作为进一步优选地，所述测量单元还包括内嵌于所述熔融石英观察窗中心的锗观察窗，以及垂直所述锗观察窗表面上方的红外热像仪，所述锗观察窗用于反射和吸收可见光，以作为所述红外热像仪的滤光片；所述红外热像仪用于透过所述锗观察窗采集所述待测微电子基板的红外图像。
作为进一步优选地，所述控制单元包括热电偶、步进电机和计算机，所述热电偶设置在所述环境加热炉的内部，用于测量所述环境加热炉内部的温度，并将其传输至所述计算机；所述步进电机用于在所述计算机的控制下带动所述竖直平移台沿竖直方向上下移动；所述计算机用于控制所述移动单元的加热温度和移动高度，并采集所述测量单元的图像数据，以此实现所述待测微电子基板的翘曲测量。
作为进一步优选地，所述载物台选用铟钢材质制成，并且表面经过毛化处理，满足漫反射的要求。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，该方法通过在上下移动的参考平面上投影散斑图案获得参考图像，将理论像素偏移值和不同高度的参考图像对应起来；然后再将参考图像与待测微电子基板的变形图像进行匹配，以此得到初始的整像素偏移值，将与之最接近的理论偏移值所对应的偏移图像作为亚像素偏移值的分析图像，通过亚像素灰度插值和搜索，获得变形图像精确的整像素和亚像素偏移值，进而有效提高了实际偏移值和面外位移的计算精度，降低投影误差对相关性分析的影响，并且不需要在试样表面制作散斑，最大程度还原了试样表面的真实形貌，并且避免对试样表面产生破坏，不污染试样的同时保证了测量结果的准确性；
2.同时，本发明通过获得待测微电子基板的红外图像获得其温度场，并将其与待测微电子基板的全场面外位移进行耦合，能够定量探究微电子基板翘曲与温度的关系，为后续研究提供更为全面的数据；
3.此外，本发明提供了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统，该系统通过对移动单元和测量单元的具体结构进行优化，能够保证在不破坏试样表面功能结构状态的前提下实现翘曲测量，具有操作简单、成本较低的优势。
附图说明
图1是本发明提供的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法的流程；
图2是本发明提供的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法的原理示意图；
图3是按照本发明优选实施例构建的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统的示意图；
图4是本发明优选实施例中使用的圆形标记点标定板。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-投影仪，2-红外热像仪，3-锗观察窗，4-CCD相机，5-熔融石英观察窗，6-热电偶，7-计算机，8-步进电机，9-竖直平移台，10-载物台，11-待测微电子基板，12-环境加热炉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-2所示，本发明实施例提供了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，该方法具体包括如下步骤：
S1对载物台的参考平面投影散斑图案，并带动载物台沿Z轴等距离间隔Δl上升，参考平面和基线之间的距离Dn＝L0-nΔl(n＝0,1,2…)，以此采集参考平面的散斑偏移图像作为参考图像，同时根据参考平面的高度计算各个参考图像的理论像素偏移值Sn，
式中，B0为投影仪与相机之间的基线距离，f0为相机焦距，P0为单个像素点的实际物理尺寸，L0为参考平面的初始深度，n为上升次数；
S2载物台归位，即参考平面和基线之间的距离为L0，对CCD相机和红外热像仪2设定相同采集帧率，将待测微电子基板放置在载物台上加热，对待测微电子基板投影散斑图案，同时触发CCD相机和红外热像仪同步采集该待测微电子基板的变形图像和红外图像；
S3对所述变形图像的初始整像素偏移值与参考图像的理论像素偏移值进行匹配，进而将所述参考图像中最接近所述变形图像的散斑偏移图像作为分析图像；
S4对分析图像进行亚像素灰度差值和搜索，根据所述的分析图像得到变形图像精确的整像素位移值Sc和亚像素偏移值Si，相加后获得散斑的实际偏移值Sr，并利用其计算该散斑所在待测微电子基板处的面外位移，
式中，Z为散斑所在待测电子基板处的面外位移，D0为散斑所在待测电子基板处的初始深度；
S5对待测微电子基板全场的散斑重复步骤S3-S4，以此得到待测微电子基板的全场面外位移；
S6对红外图像即温度场进行插值，使得红外图像和变形图像的分辨率一致，将待测微电子基板的全场面外位移和温度场耦合，分析待测微电子基板各个点的面外位移和温度的关系。
进一步，步骤S1中，对载物台的参考平面投影散斑图案之前，对投影仪和相机进行标定，具体为：
(a)将如图4所示的带有9×11个圆形标记点的标定板放置在载物台上，沿x,y方向在标定板上投射三种频率的光栅图像；经过四步相移和解包裹运算得到圆形标记点中心的绝对相位值，计算圆形标记点中心在投影仪物平面上的二维坐标，经过标定，得到投影仪的内外参数；
(b)改变标定板的位姿并用CCD相机拍摄多张标定板的图像；经过标定，得到CCD相机的内外参数，联立投影仪的内外参数，得到投影仪和相机之间的基线距离B0，相机焦距f0，单个像素点的实际物理尺寸P0；
(c)基于空间编码的散斑图案设计，使投影的散斑图案具有空间唯一性。
如图3所示，按照本发明的另一方面，提供了一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统，该系统包括移动单元、测量单元和控制单元，其中：
移动单元包括环境加热炉12以及设置在环境加热炉12内部的载物台10和竖直平移台9，环境加热炉12用于加热待测微电子基板11；载物台10的上表面作为参考平面，用于接收投影散斑图案以获得参考图像，同时还用于放置待测微电子基板11；竖直平移台9设置在载物台10的下方，用于带动载物台10沿竖直方向上下移动；
测量单元包括固定在环境加热炉12上方开口的熔融石英观察窗5，以及垂直熔融石英观察窗5表面上方的投影仪1和CCD相机4，投影仪1用于透过熔融石英观察窗5向待测微电子基板11投影散斑图案；CCD相机4用于透过熔融石英观察窗5采集参考平面和待测微电子基板11的参考图像和变形图像；
控制单元包括热电偶6、步进电机8和计算机7，热电偶6设置在环境加热炉12的内部，用于测量环境加热炉12内部的温度，并将其传输至计算机7；步进电机8用于在计算机7的控制下带动竖直平移台9沿竖直方向上下移动；计算机7用于控制移动单元的加热温度和移动高度，并采集测量单元的图像数据，以此实现待测微电子基板11的翘曲测量。
进一步，测量单元还包括内嵌于熔融石英观察窗5中心的锗观察窗3，以及垂直锗观察窗3表面上方的红外热像仪2，锗观察窗3用于反射和吸收可见光，以作为红外热像仪2的滤光片；红外热像仪2用于透过锗观察窗3采集待测微电子基板11的红外图像。
进一步，载物台10选用热胀系数较小的铟钢材质制成，并且通过毛化处理使得其表面满足漫反射的要求。
利用本发明提供的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统进行测量的过程为：投影仪1透过熔融石英观察窗5向载物台10投射散斑图案，并利用计算机7控制步进电机8转动，以通过竖直平移台9带动载物台10沿竖直方向上下移动，通过CCD相机4采集每个高度下载物台10参考平面的散斑偏移图像作为参考图像，并将参考图像传输至计算机7；待载物台10上升到最高处后归位，将待测微电子基板11放置在载物台10上，利用投影仪1向待测微电子基板11投射散斑图案，并通过环境加热炉12对待测微电子基板11进行加热，然后利用红外热像仪2和CCD相机4采集待测微电子基板11的红外图像和变形图像并传输至计算机7，计算机7根据参考图像、变形图像和红外图像获得待测微电子基板的全场面外位移，并分析各点的面外位移和温度的关系。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
S1对载物台的参考平面投影散斑图案，并带动所述载物台沿Z轴等距离上升，以此采集所述参考平面的散斑偏移图像作为参考图像，同时根据所述参考平面的高度计算各个所述参考图像的理论像素偏移值；
S2所述载物台归位，将待测微电子基板放置在所述载物台上加热，同时对所述待测微电子基板投影散斑图案，以此采集该待测微电子基板的变形图像；
S3对所述变形图像的初始整像素偏移值与参考图像的理论像素偏移值进行匹配，进而将所述参考图像中最接近所述变形图像的散斑偏移图像作为分析图像；
S4对所述分析图像进行亚像素灰度插值和搜索，根据所述分析图像求得所述变形图像的精确整像素偏移值和亚像素偏移值，以此获得所述散斑的实际偏移值，并利用其计算该散斑所在待测微电子基板处的面外位移；
S5对所述待测微电子基板全场的散斑重复步骤S3-S4，以此得到所述待测微电子基板的全场面外位移。
2.如权利要求1所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，其特征在于，步骤S1中，对载物台的参考平面投影散斑图案之前，对投影仪和相机进行标定，通过将所述投影仪和相机的内外参数进行联立，获得所述投影仪和相机之间的基线距离、相机焦距和单个像素点的实际物理尺寸。
3.如权利要求1所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，其特征在于，步骤S2还包括采集所述待测微电子基板的红外图像，以此获得所述待测微电子基板的温度场，用于与所述待测微电子基板的全场面外位移耦合，以定点分析面外位移和温度的关系。
4.如权利要求1～3任一项所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，其特征在于，步骤S1中，参考图像的理论像素偏移值Sn为：
式中，B0为投影仪与相机之间的基线距离，f0为相机焦距，P0为单个像素点的实际物理尺寸，L0为所述参考平面的初始深度，n为载物台上升次数，Δl为载物台沿Z轴上升的距离间隔。
5.如权利要求4所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法，其特征在于，步骤S4中，利用下式计算散斑所在待测电子基板处的面外位移：
式中，Z为散斑所在待测电子基板处的面外位移，D0为散斑所在待测电子基板处的初始深度，Sc为变形图像精确的整像素偏移值，Si为变形图像精确的亚像素偏移值。
6.一种实现如权利要求1～5任一项所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量方法的系统，其特征在于，该系统包括移动单元、测量单元和控制单元，其中：
所述移动单元包括环境加热炉(12)以及设置在所述环境加热炉(12)内部的载物台(10)和竖直平移台(9)，所述环境加热炉(12)用于加热待测微电子基板(11)；所述载物台(10)的上表面作为参考平面，用于接收投影散斑图案以获得一系列参考图像，同时还用于放置待测微电子基板(11)；所述竖直平移台(9)设置在所述载物台(10)的下方，用于带动所述载物台(10)沿竖直方向上下移动；
所述测量单元包括固定在所述环境加热炉(12)上方开口的熔融石英观察窗(5)，以及垂直所述熔融石英观察窗(5)表面上方的投影仪(1)和CCD相机(4)，所述投影仪(1)用于透过所述熔融石英观察窗(5)向所述待测微电子基板(11)投影散斑图案；所述CCD相机(4)用于透过所述熔融石英观察窗(5)采集所述参考平面和待测微电子基板(11)的参考图像和变形图像；
所述控制单元用于控制所述移动单元和测量单元，以此完成微电子基板翘曲测量。
7.如权利要求6所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统，其特征在于，所述测量单元还包括内嵌于所述熔融石英观察窗(5)中心的锗观察窗(3)，以及垂直所述锗观察窗(3)表面上方的红外热像仪(2)，所述锗观察窗(3)用于反射和吸收可见光，以作为所述红外热像仪(2)的滤光片；所述红外热像仪(2)用于透过所述锗观察窗(3)采集所述待测微电子基板(11)的红外图像。
8.如权利要求6所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统，其特征在于，所述控制单元包括热电偶(6)、步进电机(8)和计算机(7)，所述热电偶(6)设置在所述环境加热炉(12)的内部，用于测量所述环境加热炉(12)内部的温度，并将其传输至所述计算机(7)；所述步进电机(8)用于在所述计算机(7)的控制下带动所述竖直平移台(9)沿竖直方向上下移动；所述计算机(7)用于控制所述移动单元的加热温度和移动高度，并采集所述测量单元的图像数据，以此实现所述待测微电子基板(11)的翘曲测量。
9.如权利要求6～8任一项所述的基于散斑结构光的微电子基板翘曲测量系统，其特征在于，所述载物台(10)选用铟钢材质制成，并且表面经过毛化处理，满足漫反射的要求。
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