【行业应用】光谱共焦-芯片管芯键合过程中倾斜和翘曲的在线测量方法

烧结银(SAG)作为裸晶附加材料是目前利用宽带隙半导体优势的一种很有前途的解决方案。它的电学、热学和力学性能远优于焊料，但对工艺水平有较高的要求。除了烧结银层的孔隙率外，还需要形成烧结银与相应半导体和基底金属化之间的界面，以提供热路径和机械稳定性。高烧结银层孔隙率引起的可靠性问题将迅速导致分层。其中，半导体裸晶的倾斜问题时常需要被关注。例如，功率电子的组装过程中，由于所应用的附模材料厚度不均匀、施加力的不均匀和晶圆基底的不平整，都会导致最终裸晶的倾斜，进而导致测试和实际使用过程中的可靠性问题。

电动自动驾驶汽车的电源模块等产品对可靠性有更高的要求，必须可靠地将倾斜度作为这类组件的生产公差；同时，芯片的翘曲能够反映残余应力和键合处的情况。因此，有必要对元件进行倾斜和翘曲程度的全检测量。

来自德国开姆尼茨工业大学和FraunhoferENAS的研究团队提出了一种基于光谱共焦位移传感器的扫描系统，能够对晶圆级的键合半成品实现全幅扫描，易于工业级产线的集成。

光谱共焦位移传感器沿着机械扫描路径可以提供被测件的高度轮廓，但是传动部件的机械振动将严重降低系统的测量精度。因此，文章中采用一个辅助传感器，安装在主传感器上的同时，对一个平面参考面进行测量。只要确保参考平面和样品之间的距离是固定的，主传感器的振动影响可以通过辅助传感器测量计算消除。

图1.带有双传感器的测试台示意图

图1为测试平台的结构图。主传感器使用一个内置的90°镜，直接扫描样本。辅助传感器同轴安装，扫描抛光的硅晶圆作为参考平面。

图2. 硅片测试扫描的测量剖面。上面的图像显示两个传感器的扫描数据，下面的图像显示两者数据之和作为最终信号。

图2展示了采用上述方法去除机械振动对精度影响的测试数据结果。测量频率f = 1kHz，机械扫描速度v = 11 mm/s。上图是两个传感器的扫描数据，下图则是误差补偿后的扫描数据，可以看到补偿后的噪声水平<±500nm，验证该方法的工作与预期一致。从而可以从扫描线轮廓中提取所需的BLT（键合线厚度）和倾斜度信息。

图3. 芯片轮廓线高度计算的原理图

图3展示了如何通过行扫描计算出两侧各自的芯片高度，利用基板两侧与芯片有一定安全距离的确定测量区域的数据点拟合基板水平，以避免表面弧度角。最后，通过两条拟合曲线计算出两侧位置的高度信息。

根据实际测试，扫描系统能够达到所要求的精度，约为2~3um。同时，扫描系统易于工业产线集成，并且全光学的光谱共焦探头不会产生也不会受到EMC干扰问题。

论文标题：

Tilt and warpage measurement of bonded dies as aninline quality assessment tool