WO2021073310A1 - 一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法及装置，装置包括投影云纹模块、X射线模块、监测分析模块；方法包括：通过投影云纹模块获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；通过X射线模块获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；根据第一翘曲信息、第二翘曲信息获得监测结果信息。解决了现有技术中无法对封装模块的翘曲变形及缺陷进行三维在线监测的问题，能够对实际工业生产过程中的电子器件的封装模块的失效情况进行三维在线监测。

Description

一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法及装置 技术领域
本发明涉及封装模块监测技术领域，尤其涉及一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法及装置。
背景技术
目前集成电路技术已渗透到工业及社会生活的各个领域，电子工业已成为当今第一大产业。从20世纪70年代以来，全球电子信息产业迅速发展。电子信息产业是在电子科学技术发展和应用的基础上发展起来的。电子信息产业的发展由于生产技术的提高和加工工艺的改进，集成电路差不多每三年就更新一代；大规模集成电路和计算机的大量生产和使用，光纤通信、数字化通信、卫星通信技术的兴起，使电子工业成为一个迅速崛起的高技术产业。电子工业的发展及其产品的广泛应用，对全球经济文化等方面产生了极其深刻的影响。而无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。
当今大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。电子器件的封装技术是制约集成电路发展的关键环节之一。电子器件在封装中由于各种材料(基底、粘结层、芯片及封装材料)的尺寸和材料性能的差异在较大温差作用下引起的翘曲问题已严重影响了电子器件的可靠性、焊接性能和成品率。因此，电子器件的翘曲问题已成为影响电子封装技术继续深入发展的一个重大障碍。
在半导体工艺过程中，随着在晶圆表面形成各种材料层以及各种半导体器件结构，会对晶圆表面产生各种应力，使得晶圆在工艺过程中发生翘曲。最理想的状态下，晶圆不应发生翘曲的，即便无法完全平坦，在理想状态下，晶圆的翘曲也应当是边缘向晶圆正面方向翘起的且关于垂直晶圆的中轴线对称的碗状；而实际情况中，由于晶圆正面受到应力的不对称性，经常会造成晶圆各种形态的不对称的翘曲，导致晶圆容易发生翘曲缺陷导致部分芯片失效甚至发生碎片的情况。
现有技术中，在工业生产中难以实现对于电子器件的封装模块的翘曲缺陷在线监测。翘曲变形的测量方法有许多，例如电子散斑干涉技术、阴影云纹、投影云纹及数字图像相关法(DIC)等。这些方法各自有其特定的测量精度及应用场景，同时其测量面积及测量范围也有所不同。电子散斑干涉技术因其昂贵的大功率激光器不适用于例如晶圆这类大面积翘曲变形的测量与监测。阴影云纹因其光路设置的问题同样不适用于大面积翘曲变形的测量与监测。而数字图像相关法因其需在样件表面喷一层具有特异性灰度的散斑而不适用 于不能进行表面预处理的样件。投影云纹法是20世纪70年代发展起来的一种现代光学测量技术，多用于面内变形、离面位移、表面形貌的检测。凭借非接触、快速、全场测量、高分辨率、高精度的优势，投影云纹法被广泛应用于生物、医学检测、产品检测、逆向工程等众多领域。而投影云纹技术目前国内外均有成熟的设备产品，对于翘曲的测量精度较高，可达1.5微米的精度，但投影云纹技术因其自身原理的缘故，只能对物体表面进行测量，其基本不具有穿透能力，因而对于产品的内部缺陷的探测能力较弱。
此外，当前对于电子器件的封装模块的翘曲变形及缺陷，在工业生产过程中通常的只是在电子器件失效之后对其进行离线检测，该方法不但流程复杂、所需设备繁多，而且耗时较长、测试效果不佳，对于改善电子器件的生产工艺也助益不大。如何有效可靠地在线监测电子器件封装模块的翘曲状态，是目前工业生产中亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例通过提供一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法及装置，解决了现有技术中无法对封装模块的翘曲变形及缺陷进行三维在线监测的问题。
本申请实施例提供一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，包括：投影云纹模块、X射线模块、监测分析模块；
所述监测分析模块分别与所述投影云纹模块、所述X射线模块相连；
所述投影云纹模块用于获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；
所述X射线模块用于获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；
所述监测分析模块用于根据所述第一翘曲信息、所述第二翘曲信息获得监测结果信息。
优选的，所述投影云纹模块包括：CCD相机、光栅投影仪；
所述光栅投影仪用于投射光栅至待测封装模块样品表面；
所述CCD相机用于对所述待测封装模块样品表面的光栅变化进行连续拍摄采集，获得所述第一翘曲信息。
优选的，所述投影云纹模块还包括：同步触发器；
所述CCD相机为多个CCD相机组成的CCD相机阵列；所述CCD相机阵列与所述同步触发器连接；
所述光栅投影仪为多个光栅投影仪组成的光栅投影仪阵列；所述光栅投影仪阵列与所述同步触发器连接。
优选的，所述X射线模块包括：X射线管、X射线探测器；
所述X射线管用于发射X射线至待测封装模块样品；
所述X射线探测器用于接收待测封装模块样品经照射后的X射线强度数据，获得所述第二翘曲信息。
优选的，所述X射线模块还包括：X光控制电路；
所述X光控制电路用于控制所述X射线管发射的X射线的强度。
优选的，所述X射线管为多个X射线管组成的X射线管阵列；所述X射线探测器为多个X射线探测器组成的阵列式线性陈列探测器。
优选的，所述监测分析模块包括：数据存储装置、数据分析装置、监测显示装置；
所述数据存储装置用于存储来自所述投影云纹模块、所述X射线模块的信息，并传输至所述数据分析装置，所述数据存储装置与所述同步触发器连接；
所述数据分析装置用于根据所述第一翘曲信息获得翘曲变形信息，用于根据所述第二翘曲信息获得翘曲缺陷信息，用于根据所述翘曲变形信息和所述翘曲缺陷信息获得所述监测结果信息；
所述监测显示装置用于对所述监测结果信息进行显示。
优选的，所述封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置还包括：光学三维测量标定器；
所述光学三维测量标定器用于对相机进行内参、外参、高度标定。
优选的，所述封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置还包括：平面安置台；
所述待测封装模块样品放置在所述平面安置台上；所述X射线管设置在所述平面安置台的上方或侧边。
利用上述装置，本申请实施例提供一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法，包括以下步骤：
通过投影云纹模块获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；
通过X射线模块获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；
根据所述第一翘曲信息、所述第二翘曲信息获得监测结果信息。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，通过投影云纹获得待测封装模块样品的第一翘曲信息，通过X射线获得待测封装模块样品的第二翘曲信息，然后根据第一翘曲信息、第二翘曲信息进行结合分析，获得监测结果信息，实现对实际工业生产过程中的电子器件的封装模块的失效 情况进行在线监测，改变了以往工业界对于失效产品离线检测的僵局。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置的结构示意图。
其中，1-CCD相机、2-光栅投影仪、3-X射线管、4-X射线探测器、5-待测封装模块样品。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供了一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，包括：投影云纹模块、X射线模块、监测分析模块；所述监测分析模块分别与所述投影云纹模块、所述X射线模块相连。
所述投影云纹模块用于获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；所述X射线模块用于获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；所述监测分析模块用于根据所述第一翘曲信息、所述第二翘曲信息获得监测结果信息。
其中，如图1所示，所述投影云纹模块包括：CCD相机1、光栅投影仪2；所述光栅投影仪2用于投射光栅至待测封装模块样品5表面；所述CCD相机1用于对所述待测封装模块样品5表面的光栅变化进行连续拍摄采集，获得所述第一翘曲信息。
所述X射线模块包括：X射线管3、X射线探测器4；所述X射线管3用于发射X射线至待测封装模块样品5；所述X射线探测器4用于接收待测封装模块样品5经照射后的X射线强度数据，获得所述第二翘曲信息。
所述监测分析模块包括：数据存储装置、数据分析装置、监测显示装置；所述数据存 储装置用于存储来自所述投影云纹模块、所述X射线模块的信息，并传输至所述数据分析装置，所述数据存储装置与所述同步触发器连接；所述数据分析装置用于根据所述第一翘曲信息获得翘曲变形信息，用于根据所述第二翘曲信息获得翘曲缺陷信息，用于根据所述翘曲变形信息和所述翘曲缺陷信息获得所述监测结果信息；所述监测显示装置用于对所述监测结果信息进行显示。
翘曲变形及缺陷的判断过程是结合分析的，翘曲变形由所述投影云纹模块完成，若其分析结果显待测封装模块样品的翘曲变形明显偏大，则与负责翘曲缺陷监测的所述X射线模块相结合综合分析得出结果。即二者需综合分析，才能得出待测样件是否失效的过程。
由于投影云纹技术对于产品翘曲变形的测量具有较高的精度，因此可在线监测可能存在较大翘曲缺陷的大面积封装模块的翘曲变形测量的过程。由于X射线技术具有响应速度快、检测区域大、可在线监测某些难以接触或禁止接触的被测物体等特点，因此可在线监测大面积封装模块中可能存在较大翘曲缺陷的表征过程。将投影云纹技术与X射线技术进行结合，可进一步对工业生产中的电子器件的翘曲缺陷进行在线监测，提高翘曲缺陷监测的时效性，及时发现不合格的失效器件，为产品生产的工艺流程的质量提升提供有效的动态参考，从而提高电子器件的良品率，降低生产成本。
实施例1以晶圆为例，所述X射线管3设置于待测封装模块样品5的检测区域的上方。
优选的方案中，所述投影云纹模块还包括：同步触发器；所述CCD相机1为多个CCD相机组成的CCD相机阵列；所述CCD相机阵列与所述同步触发器连接；所述光栅投影仪2为多个光栅投影仪组成的光栅投影仪阵列；所述光栅投影仪阵列与所述同步触发器连接。
通过数据线将所述同步触发器和多台CCD相机分别连接起来，再将所述同步触发器与控制拍照和分析的工作站(即监测分析模块)连接起来。采用同步触发器是为了在拍照时保证多个CCD相机能够同时触发拍照，以保证在同一时刻拍出的照片能够在工作站中被合成一整张照片。
采用CCD相机阵列可以实现对大面积的封装模块进行在线监测，可改善相机视场大小的限制。通过多个相机组成阵列来测量，例如16个CCD相机组阵列的视场为600*600mm，测量精度可达4微米，在240*240mm视场下精度可达1.5微米。通过本发明采用64、100、200乃至更多的相机组成阵列，理论上可以测量无限大的面积下的翘曲变形及缺陷。
所述光栅投影仪2的个数的多少理论上取决于投影仪投出的光栅是否覆盖待测封装模块样品5的全部表面。为了实现理论上无限大的测量面积，通过增加所述光栅投影仪2的数量，即光栅投影仪阵列式组装可以实现大面积监测的目的。
所述X射线模块还可设置X光控制电路。所述X光控制电路用于控制所述X射线管发射的X射线的强度。
优选的方案中，所述X射线管3为多个X射线管组成的X射线管阵列；所述X射线探测器4为多个X射线探测器组成的阵列式线性陈列探测器。
对大面积的封装模块进行在线监测时，单个X射线管3可能不能覆盖整个待检测区域，因此，采用X射线管阵列可实现大面积的覆盖。采用阵列式线性陈列探测器可实现对待测封装模块样品5缺陷部位的层扫。
此外，还可采用高精度的光学三维测量标定器对相机进行内参、外参、高度标定，建立相机之间以及相机与待测封装模块样品5之间的空间坐标系。将所述待测封装模块样品5放置在平面安置台上。
实施例1中，(1)可以发射的光栅条纹投影面积为600mm×600mm，频率为50Hz，条纹密度为2-50线可调；(2)图像分辨率为6400万像素，相机帧率为75fps，帧频为6400万像素下采集帧频不低于10fps，视场不小于600mm×600mm，翘曲变形测量分辨率为4微米(600mm×600mm)。在在线监测翘曲缺陷过程中图像显示装置接收并读取X射线及投影云纹分析信息，并可根据实际状况选择不同的在线监测模式。
将所述X射线管3设置于待测封装模块样品5的检测区域的上方，是对于存在复合界面接触等截面存在较为复杂结构的封装模块的截面进行层扫，以此来构建截面方向上的翘曲变形及缺陷的三维模型，适用于在截面方向上易出现翘曲缺陷积累过多而产生截面方向上的断裂、裂缝等封装模块如晶圆等的检测过程中。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别在于，实施例2将所述X射线管3设置于待测封装模块样品5的检测区域的侧面。以晶圆为例，三维在线监测装置集成X射线模块及投影云纹模块，参看图2，装置主要的构成包括：2个及2个以上CCD相机1组成的阵列式CCD相机、2个及2个以上的光栅投影仪2、同步触发器、高精度光学三维测量标定器、平面安置台、2个及2个以上X射线管3组成的阵列式X射线管、2个及2个以上X射线探测器4组成的阵列式线性陈列探测器、X光控制电路、数据存储装置、数据分析装置、图像显示装置。
实施例2中，同样的，(1)可以发射的光栅条纹投影面积为600mm×600mm，频率为50Hz，条纹密度为2-50线可调；(2)图像分辨率为6400万像素，相机帧率为75fps，帧频为6400万像素下采集帧频不低于10fps，视场不小于600mm×600mm，翘曲变形测量分 辨率为4微米(600mm×600mm)。在在线监测翘曲缺陷过程中图像显示装置接收并读取X射线及投影云纹分析信息，并可根据实际状况选择不同的在线监测模式。
将所述X射线管3设置于待测封装模块样品5的检测区域的侧面，是大面积的封装模块进行平面方向上的层扫，以此来构建平面方向上的翘曲变形及缺陷的三维模型，适用于在平面方向上易出现翘曲缺陷积累过多而产生平面方向上分层、剥落、表面划痕等的大面积封装模块如液晶显示屏或手机屏幕总成等的检测过程中。
利用上述实施例提供的封装模块翘曲变形及缺陷的在线监测装置，本实施例提供一种封装模块翘曲变形及缺陷的在线监测方法，包括以下步骤：
通过投影云纹模块获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；
通过X射线模块获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；
根据所述第一翘曲信息、所述第二翘曲信息获得监测结果信息。
其中，监测顺序方法包括但不限于以下两种：
(1)同时采用X射线和投影云纹功能的方式进行翘曲缺陷的在线监测。
(2)先后交替采用或是以某种特定先后重复顺序采用X射线及投影云纹功能的方式进行翘曲缺陷的在线监测。
三维在线监测原理如下：投影云纹功能模块中，高速光栅投影仪投射出光栅至待测封装模块样品表面，阵列式CCD相机对样品表面的光栅变化进行连续拍摄采集，通过投影云纹分析软件对样品翘曲缺陷进行监测；X射线模块中，阵列式X射线管发射一定强度的X射线到样品上，使样品因自身材料厚度不同对X射线吸收程度的差异而形成不同的影像，通过X光控制电路设定合适的X射线强度，多次发射X射线进行多截面层扫，可建立样品翘曲缺陷的三维影像，然后通过阵列式线性陈列探测器将待测封装模块样品的三维翘曲变形及缺陷的X射线强度数据连续采集至数据分析装置中对样品的翘曲缺陷进行分析监测。X射线及投影云纹的数据均通过数据线输入到数据存储装置，再由其输出至数据分析装置和图像显示装置中，实现翘曲缺陷的可视化在线监测。通过这整套装置，达到对电子器件封装器件的翘曲变形及缺陷在线监测的目的。
本发明实施例提供的一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法及装置至少包括如下技术效果：
(1)能够提高翘曲缺陷监测的时效性，及时发现不合格的失效器件。
(2)能够为产品生产的工艺流程的质量提升提供有效的动态参考，从而提高电子器件的良品率，降低生产成本。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

  1. 一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，包括：投影云纹模块、X射线模块、监测分析模块；
    所述监测分析模块分别与所述投影云纹模块、所述X射线模块相连；
    所述投影云纹模块用于获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；
    所述X射线模块用于获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；
    所述监测分析模块用于根据所述第一翘曲信息、所述第二翘曲信息获得监测结果信息。
  2. 根据权利要求1所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，所述投影云纹模块包括：CCD相机、光栅投影仪；
    所述光栅投影仪用于投射光栅至待测封装模块样品表面；
    所述CCD相机用于对所述待测封装模块样品表面的光栅变化进行连续拍摄采集，获得所述第一翘曲信息。
  3. 根据权利要求2所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，所述投影云纹模块还包括：同步触发器；
    所述CCD相机为多个CCD相机组成的CCD相机阵列；所述CCD相机阵列与所述同步触发器连接；
    所述光栅投影仪为多个光栅投影仪组成的光栅投影仪阵列；所述光栅投影仪阵列与所述同步触发器连接。
  4. 根据权利要求1所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，所述X射线模块包括：X射线管、X射线探测器；
    所述X射线管用于发射X射线至待测封装模块样品；
    所述X射线探测器用于接收待测封装模块样品经照射后的X射线强度数据，获得所述第二翘曲信息。
  5. 根据权利要求4所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，所述X射线模块还包括：X光控制电路；
    所述X光控制电路用于控制所述X射线管发射的X射线的强度。
  6. 根据权利要求4或5所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，所述X射线管为多个X射线管组成的X射线管阵列；所述X射线探测器为多个X射线探测器组成的阵列式线性陈列探测器。
  7. 根据权利要求1所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征 在于，所述监测分析模块包括：数据存储装置、数据分析装置、监测显示装置；
    所述数据存储装置用于存储来自所述投影云纹模块、所述X射线模块的信息，并传输至所述数据分析装置，所述数据存储装置与所述同步触发器连接；
    所述数据分析装置用于根据所述第一翘曲信息获得翘曲变形信息，用于根据所述第二翘曲信息获得翘曲缺陷信息，用于根据所述翘曲变形信息和所述翘曲缺陷信息获得所述监测结果信息；
    所述监测显示装置用于对所述监测结果信息进行显示。
  8. 根据权利要求2所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，还包括：光学三维测量标定器；
    所述光学三维测量标定器用于对相机进行内参、外参、高度标定。
  9. 根据权利要求4所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，其特征在于，还包括：平面安置台；
    所述待测封装模块样品放置在所述平面安置台上；所述X射线管设置在所述平面安置台的上方或侧边。
  10. 一种封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一所述的封装模块翘曲变形及缺陷的三维在线监测装置，所述方法包括以下步骤：
    通过投影云纹模块获得待测封装模块样品的第一翘曲信息；
    通过X射线模块获得待测封装模块样品的第二翘曲信息；
    根据所述第一翘曲信息、所述第二翘曲信息获得监测结果信息。
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