CN202948904U

CN202948904U - 基于光热成像的图像获取装置

Info

Publication number: CN202948904U
Application number: CN 201220499080
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 戴宜全; 甘志银; 王小平
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Finemems Inc
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; FineMEMS Inc; Wuhan Finemems Inc
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2022-09-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于光热成像的图像获取装置，包括支架横梁、平动电机、成像探头、光发射器；平动电机固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机中的移动块；光发射器通过可调连接件连接至所述移动块，通过调节可调连接件使其发射的光经试样反射后进入成像探头；平动电机中的移动块用于拖动光发射器和成像探头在试样的正上方做径向运动；光发射器用于发射光至试样的上表面；所述成像探头用于对试样上表面的反射光进行成像。本实用新型可以实现残渣颗粒和空洞识别、材质识别及微孔深度测量，检测评估更可靠。

Description

基于光热成像的图像获取装置

技术领域

本实用新型属于微电子封装领域，更具体地，涉及一种基于光热成像的图像获取装置。

背景技术

三维微电子封装技术，即立体电子封装技术，是在二维平面电子封装的基础上进一步向空间发展的更高密度电子封装，该技术可以使相应的电子系统功能更多、性能更好、可靠性更高，同时成本更低。其中，硅通孔技术作为三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新技术解决方案，具有如下显著优点：芯片在三维方向的堆叠密度最大、芯片间互连线最短、外形尺寸最小，可以有效地实现三维芯片层叠，制造出结构更复杂、性能更强大、更具成本效率的芯片，成为了目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。

但是，受限于特征尺寸、微孔深宽比等方面的制约，在众多的硅通孔技术路线中尚存在诸多有待解决的工艺问题。尤其在工艺流程的多个阶段进行半成品、成品工艺质量检测，对于提高产品的成品率、识别废品并减少后续无用操作、降低生产成本等方面至关重要。类似的问题同样存在于二维倒装芯片封装、晶圆级封装以及基于嵌入主动元件和被动元件的系统级封装。例如，在晶圆上进行隆起铜柱焊盘操作之前需要制作上千的盲孔，这些盲孔的尺寸、深度、孔内残渣都需要测量或检测，以保证后续工艺的顺利进行。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种可以对基于光热成像的微电子封装工艺质量进行检测评估的图像获取装置。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于光热成像的图像获取装置，包括支架横梁、平动电机、成像探头、光发射器；平动电机固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机中的移动块；光发射器通过可调连接件连接至所述移动块，通过调节可调连接件使其发射的光经试样反射后进入成像探头；所述平动电机中的移动块用于拖动光发射器和成像探头在试样的正上方做径向运动；所述光发射器用于发射光至试样的上表面；所述成像探头用于对试样上表面的反射光进行成像。

本实用新型还提供了一种基于光热成像的图像获取装置，包括支架横梁、平动电机、成像探头、半透半反棱镜、光发射器；平动电机固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机中的移动块；半透半反棱镜位于成像探头的前端；所述光发射器与所述半透半反棱镜位于同一平面；所述平动电机中的移动块用于拖动成像探头在试样的正上方做径向运动；所述光发射器用于给所述半透半反棱镜提供光源；所述半透半反棱镜用于使得经所述半透半反棱镜的光垂直入射至试样的上表面；所述成像探头用于对试样上表面的反射光进行成像。

更进一步地，所述成像探头包括通过螺栓连接的成像传感器和成像镜头，所述成像镜头根据不同的试样配置；所述成像传感器用于获取光图像或热图像。

更进一步地，所述图像获取装置还包括位于所述光发射器的前端，用于对所述光发射器发射的光进行滤波和校准的光学元件。

更进一步地，所述光发射器为激光发射器或红外光发射器。

本实用新型与已有的微电子封装工艺质量检测装置相比较，具有以下的优点：

（1）封装工艺涉及多种材料，不同材料的热传导速率、对光的反射吸收强度均有较大的差异。另外，几何构造差异，如残渣颗粒、孔的构造尺寸、空洞等也会影响局部热分布和光的反射强度。本实用新型同时利用了以上特点，并以数字图像记录热图像和光反射强度图像。通过均方差统计、相关统计等数字图像处理算法对不同局部的图像差异、与标准试样图像的差异进行定量对比分析，实现残渣颗粒和空洞识别、材质识别及微孔深度测量。对基于两种性质的结果进行综合，检测评估更可靠。

（2）本实用新型只需要一个成像探头记录了热分布图像和光反射强度图像，并根据试样不同局部的加工规格相同、与标准试样图像对比的方式对光、热数字图像进行定量统计分析，多组数据相互参照，结果更加可靠。充分发挥了光线更易于精确定位分析、热更利于局部微孔加工残渣颗粒判断的优势。尤其后者对于硅通孔工艺而言非常重要，而目前可用检测手段非常少见。

（3）封装工艺对处理单元的要求逐渐精细化，例如，硅通孔工艺中的微孔深宽比甚至高达20：1，孔径也只有数微米，在光线斜入射的情况下很难避免在孔底成像中产生暗区，导致使用通常的光学测量手段拍摄不到陡峭微结构拐角部位的真实情况。对于本实用新型，同轴光结构和变倍镜头的引入使得光入射与反射的垂直定位更准确，同时通过调节镜头可以改变成像放大倍数（分辨率），从而适应更多的测量要求。

（4）两部分电机，上方电机拖动探头平动与下方拖动试样转动相结合的扫描方式，更适合于硅通孔工艺中封装元件本身即为圆形的情况，可以降低扫描结构的刚度要求。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例提供的基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施例提供的基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的基于光热成像的微电子封装工艺质量检测方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置可以对微电子封装工艺流程中不同阶段工艺质量进行检测；尤其适合于倒装芯片、晶圆级封装和基于硅通孔的三维集成电路封装技术的工艺流程各阶段半成品、成品的质量检测，也可用于诸如嵌入式系统级封装等先进封装工艺流程，有助于提高产品成品率和降低成本。

图1示出了本实用新型第一实施例提供的基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型第一实施例相关的部分，详述如下：

基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置包括：图像获取装置、工作台、控制装置及数据处理装置；其中图像获取装置用于通过成像探头对试样上表面扫描并获取光图像和热图像数据；工作台用于放置试样；控制装置用于控制试样做匀速旋转运动；数据处理装置用于对图像获取装置获取的光图像和热图像数据进行处理后获得相关系数和均方差统计系数，并将所述相关系数和均方差统计系数与预设的阈值进行比较，根据比较结果获得工艺质量评估。

其中，图像获取装置包括支架横梁1、平动电机2、成像探头、光发射器5；平动电机2固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机2中的移动块；光发射器5通过可调连接件连接至所述移动块，通过调节可调连接件使其发射的光经试样反射后进入成像探头；平动电机2中的移动块用于拖动光发射器5和成像探头在试样6的正上方做径向运动；光发射器5用于发射光至试样6的上表面；成像探头用于对试样6上表面的反射光进行成像。

工作时，对试样6的下表面进行加热；在控制装置的控制下，试样6绕其中轴线匀速旋转；在平动电机2的移动块的拖动下，光发射器5和成像探头在试样6的正上方做径向运动，光发射器5发射光至试样6的上表面，成像探头对反射光成像，之后通过控制装置控制成像探头对试样6的同一个位置进行热成像；通过试样旋转以及光发射器5和成像探头的径向运动完成对试样6上表面的扫描。

在本实用新型的第一实施例中，支架横梁1起支撑作用，平动电机2通过螺栓固定于横梁下侧面。其中，平动电机2自带导轨，导轨布置方向与横梁一致。平动电机2即可实现对试样表面的成像扫描。平动电机2用于拖动成像探头和光发射器5在试样上方平动。其中，平动电机2的扫描路径、扫描位置及该位置采集的图像等信息均由数据处理装置控制和记录。光发射器5在电机2的拖动下发射光至试样6上表面，由于材料反射率差异和照射位置的几何深度差异会引起光的反射率不同，仍然通过红外成像探头接收到的反射光成像信号也具有对应的亮度差异，从而基于反射图像信息和扫描位置信息建立起孔深测量、材料识别与局部坐标位置的对应关系。

在本实用新型的第一实施例中，成像探头通过螺栓垂直固定于平动电机移动块，并调节螺栓弹性垫片保证成像中轴线与试样表面垂直，电机拖动成像探头过试样中轴线沿径向移动对试样上表面成像。成像探头包括通过螺栓连接的成像传感器3和成像镜头4，其中成像传感器3具有光敏感和热敏感功能；成像镜头4可以根据不同的试样进行配置。成像部件连接于控制装置的数据线和控制线，成像传感器和前端螺栓连接的镜头。数据处理装置通过数据线将图像数据传输到电脑硬盘，并通过控制线控制成像传感器对光敏感或对热敏感。

在本实用新型实施例中，工作台包括试样夹持部件7和试样支撑台8；试样6由试样夹持部件7夹持后固定于试样支撑台8，旋转微步电机10拖动试样支撑台旋转从而带动试样绕试样中轴线旋转，再结合前述平动电机即可实现对试样表面的成像扫描。其中，电机的扫描路径、扫描位置及该位置采集的图像等信息均由数据处理装置控制和记录。本实用新型提供的基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置尤其适合于在三维微电子封装、硅通孔工艺流程中对试样的加工缺陷进行检测、微孔尺寸测量、微孔加工残渣颗粒的识别与清理等，实现对工艺阶段的半成品、成品质量评估。

图2示出了本实用新型第二实施例提供的基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置的结构，与第一实施例相比，图像获取装置的结构不同，其它的装置结构一样，在此不再赘述。

图像获取装置包括：支架横梁1、平动电机2、成像探头、半透半反棱镜52、光发射器；平动电机固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机中的移动块；半透半反棱镜位于成像探头的前端；所述光发射器与所述半透半反棱镜位于同一平面；平动电机中的移动块用于拖动成像探头在试样的正上方做径向运动；光发射器用于给所述半透半反棱镜提供光源；半透半反棱镜用于使得经所述半透半反棱镜的光垂直入射至试样的上表面；成像探头用于对试样上表面的反射光进行成像。图2中51表示光发射器发出的光源。

工作时，对试样6的下表面进行加热；在控制装置的控制下，试样6绕其中轴线匀速旋转；在所述平动电机的移动块的拖动下，成像探头在试样6的正上方做径向运动，光垂直入射至试样6的上表面，成像探头对反射光成像，之后通过控制装置控制成像探头对试样6的同一个位置进行热成像；通过试样旋转以及成像探头径向运动完成对试样6上表面的扫描。

在本实用新型的第二实施例中，可以通过光纤与同轴光装置连接，实现光的垂直试样照射并垂直试样反射进入成像探头。同轴光是经过镀半透半反膜处理的光学元件和镜头连接配套装置，可连接于镜头前端或与镜头一体化加工。

在本实用新型第一和第二实施例中，基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置还包括：位于光发射器的前端，用于对光发射器发射的光进行滤波和校准的光学元件；以保证入射光的均匀性。

在本实用新型第一和第二实施例中，基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置还包括位于所述试样的下端，用于对试样6的下表面进行加热的射频热辐射加热部件。射频加热部件9布置在试样下部，用于加热。

在本实用新型第一和第二实施例中，光发射器可以为激光发射器，也可以为红外光发射器。当光发射器为激光发射器时，可以根据待测试样材质的反射率选择特定波长的光发射器。

在本实用新型中，热成像与光反射成像元件可以通过数控开关实现共用。对热辐射数字图像和光反射数字图像进行运算，分析试样由于几何特征与材质差异造成的热辐射差异和光反射率差异，再结合数控扫描位置信息可以实现微孔深度等几何量的定量测量以及材质识别，后者对于加工残渣识别与清理尤其重要。

为了更进一步地说明本实用新型，现在结合图3详述一种基于光热成像的微电子封装工艺质量检测方法，包括下述步骤：

S1：通过成像探头对试样上表面扫描获取光图像和热图像数据；

S2：根据系统误差相对应的光图像或热图像像素数量确定中心区域的大小；将第一个图像的中心区域在第二个图像内进行相关搜索计算相关系数，相关系数为最大值时所对应的两张图像的重叠部分即为图像子区；

所述第一个图像为待测试样的光图像或热图像，所述第二个图像为标准试样或待测试样的同类位置光图像或热图像；

S3：根据图像子区计算相关系数和均方差统计系数，相关系数反映了待测试样与标准试样同类位置的相似性；均方差统计系数反映了待测试样的不同位置工艺的稳定性；

S4：将所述相关系数和均方差统计系数与预设的阈值进行比较，根据比较结果获得工艺质量评估；阈值的大小是根据系统标定和工艺要求高低来设定的。

在本实用新型中，基于光热成像的微电子封装工艺质量检测装置对试样进行检测的具体操作步骤如下：

（1）试样夹持后置于试样台，并将上方平动电机置于试样正上方；

（2）调整镜头光圈、焦距以及上方电机高度（物距）使探头成像对焦于试样；

（3）启动辐射热源和电机，其中在旋转电机步进一周扫描成像后再驱动上方平动电机行走单位步进量，后续依次再进行周扫描过程直到完成扫描；

（4）在每个扫描位置分别采集热辐射图像和光反射图像并保存于控制装置，两种类型图像的采集与切换、扫描位置记录均由控制装置控制自动完成。

（5）对每个扫描位置进行运算，包括：同一图像局部之间的差异分析、与数据库中已有典型图像（标准试样图像）进行对比分析、两种类型图像间的融合分析，给出该局部的热分布差异统计和由光反射率差异换算得到的孔深测量结果。

（6）在试样整体范围内对步骤（3）的分析结果进行统计分析，给出试样质量综合评估结论。

具体地，控制装置数据处理装置在完成上述控制扫描与图像采集过程之后需要对图像做如下分析运算：（1）不同位置热图像的对比分析，（2）不同位置光反射图像的对比分析，（3）与标准试样得到的光、热图像进行对比分析，实现综合统计分析和工艺质量评估。前述封装应用中的单试样本身分布多组本应相同的局部结构，如孔和槽等，因此，对不同位置图像进行对比分析也可以判断工艺质量。对于热图像，各微孔内部质量差异（如残渣等）必然会导致相应微孔位置的热辐射差异并反映在红外热图像中；对于光反射图像，光发射器在电机的拖动下发射光至试样6上表面，由于材料反射率差异和照射位置的几何深度差异会引起光的反射率不同，仍然通过红外成像探头接收到的反射光成像信号也具有对应的亮度差异，从而基于反射图像信息和扫描位置信息建立起孔深测量、材料识别与局部坐标位置的对应关系。对比分析主要采用统计相关算法，相关公式（但并不仅限于该公式），通过该公式可将两块局部图像的相关性量化为一个相关系数C；统计分析可以采用均方差统计算法，计算均方差系数S，例如，既可以计算每个扫描位置图像的均方差，也可以再对所有扫描位置的均方差或相关系数再进行均方差统计。相关系数反映了该位置与标准试样该位置的相似性；均方差统计系数则反映了不同位置工艺的稳定性。这些计算数值大小与工艺质量之间的关联性则由系统标定和工艺要求的高低决定。相关公式：

C = \frac{Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{n} [f (x_{i}, y_{i}) - \overset{&OverBar;}{f}] [g ({x^{*}}_{i}, {y^{*}}_{j}) - \overset{&OverBar;}{g}]}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{n} {[f (x_{i}, y_{j}) - \overset{&OverBar;}{f}]}^{2} Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{n} {[g ({x^{*}}_{i}, {y^{*}}_{j}) - \overset{&OverBar;}{g}]}^{2}}},

其中，C代表相关函数，f(x_i,y_j)为试样的图像子区的灰度值分布离散函数，g(x^* _i,y^* _j)为标准试样的图像子区或待测试样的同类位置的图像子区与f(x_i,y_j)对应的灰度值分布函数，

代表f(x_i,y_j)函数的均值，

代表g(x^* _i,y^* _j)函数的均值。如果根据函数f(x_i,y_j)和g(x^* _i,y^* _j)提取的两列灰度值序列一一对应相等或相近，则以上公式计算得到的相关系数就会取相应的极值（最大为1）。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光热成像的图像获取装置，其特征在于，包括支架横梁、平动电机、成像探头、光发射器；

平动电机固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机中的移动块；光发射器通过可调连接件连接至所述移动块，通过调节可调连接件使其发射的光经试样反射后进入成像探头；

所述平动电机中的移动块用于拖动光发射器和成像探头在试样的正上方做径向运动；

所述光发射器用于发射光至试样的上表面；

所述成像探头用于对试样上表面的反射光进行成像。

2.一种基于光热成像的图像获取装置，其特征在于，包括支架横梁、平动电机、成像探头、半透半反棱镜、光发射器；

平动电机固定于横梁的下侧面，成像探头垂直固定于平动电机中的移动块；半透半反棱镜位于成像探头的前端；所述光发射器与所述半透半反棱镜位于同一平面；

所述平动电机中的移动块用于拖动成像探头在试样的正上方做径向运动；

所述光发射器用于给所述半透半反棱镜提供光源；

所述半透半反棱镜用于使得经所述半透半反棱镜的光垂直入射至试样的上表面；

所述成像探头用于对试样上表面的反射光进行成像。

3.如权利要求1或2所述的图像获取装置，其特征在于，所述成像探头包括通过螺栓连接的成像传感器和成像镜头，所述成像传感器用于获取光图像或热图像。

4.如权利要求1或2所述的图像获取装置，其特征在于，所述图像获取装置还包括位于所述光发射器的前端，用于对所述光发射器发射的光进行滤波和校准的光学元件。

5.如权利要求1或2所述的图像获取装置，其特征在于，所述光发射器为激光发射器或红外光发射器。