一种TSV封装缺陷检测装置及其检测方法与流程

本发明公开一种TSV封装缺陷检测装置及其检测方法，具体涉及三维系统封装中的基于硅通孔垂直互联(TSV，Through Silicon Via)的封装缺陷检测技术，属于微电子封装技术领域。

背景技术：

随着微电子封装技术向高密度和高I/O引脚数发展，三维封装技术受到了越来越多的重视和研究，应运产生了许多种基于堆叠方法的3D封装技术，其中进展较快、也最为热门的是贯穿硅的通孔(through silicon via,TSV)互连技术。TSV互连技术将两层和更多层器件裸片或者整个硅圆片先采用激光或者刻蚀工艺形成许多微小的垂直通孔，然后进行孔内的金属化或者填充铜、钨等金属，通过许多垂直贯通的电极，将器件裸片或者整个硅圆片键合在一起。与以往的IC封装键合工艺相比，TSV能实现最短、最丰富的z向互联。这样不仅可提高器件集成度，而且可减少互连延时，提高器件运行速度和降低功耗。尽管TSV技术具有众多的优势，但也存在许多关键的技术难题和挑战，如高深宽比的硅通孔制作和填充。通过激光钻孔或深反应性离子蚀刻形成硅通孔后，需要依次进行绝缘层、阻挡层和晶种层的淀积，及通孔填充，而TSV填充过程中因工艺参数选择不当或TSV深宽比过大易出现孔洞、缝隙、不完全填充等缺陷。

为了确保TSV填充质量，提高IC产品的可靠性，需要对TSV填充过程中产生的缺陷进行检测，进而进行工艺参数的调整。TSV制作及金属化完成后通过微凸块或微球阵列进行堆叠，键合工艺过程中也需要进行有效检测和监控。而TSV直径的不断减小及深宽比的进一步增大，给3D-TSV缺陷检测和失效分析带来了极大的挑战。

目前，3D-TSV检测方法主要有接触式和非接触式检测两类。前者包括电测试和功能测试等，可以很好地检测出产品失效情况，但不能有效定位缺陷位置，针对不同检测对象还需要设计不同的测试装置。主要的非接触式无损检测方法有：光学视觉检测、红外成像检测、X射线检测和扫描声显微镜(SAM)检测。采用传统无损检测方法对3D-TSV结构进行缺陷检测和失效分析都存在一些问题尚待解决，其中分辨率低，无法适应小孔径、高深宽比TSV结构，是目前最主要的技术难题之一。

技术实现要素：

本发明提供了一种TSV缺陷检测装置及其检测方法，采用共轭激光束对TSV 样片进行热激励，并测量TSV样片表面温度分布及其随时间演变状况，得到序列热图像，然后利用时间插值及图像超分辨率重构技术得到具有更高时间和空间解析度的温度/热信号，通过更丰富的高频信号特征进行TSV失效预测和缺陷诊断。

本发明装置包括：间移动定位平台、半导体激光激励单元、热图像采集单元、信号重构与处理单元和控制单元，其中，所述三维空间移动定位平台含有载物支架，可在X、Y、Z三个方向上平移，在XY、XZ、YZ平面内转动，实现所述TSV样片的调焦和定位；所述半导体激光激励单元采用共轭激光束对所述TSV样片施加热激励；所述热图像采集系统使用红外热成像仪测量TSV样片表面温度场，并将热图像序列保存于主控计算机中；信号重构与处理系统对热图像/温度序列值进行重构，并进行缺陷智能辨识；所述控制系统由主控计算机协调控制各单元进行操作。

进一步的，半导体激光激励单元包括半导体激光器、激光分束器和激光准直扩束器，导体激光器、激光分束器和激光准直扩束器成共轭激光束对TSV样片进行加热，并采用万向光纤支架调整激光束入射方向；

进一步的，半导体激光器的中心波长为810nm，避开了半导体材料的红外吸收波段，从而减小了热噪声，提高了加热效率。

进一步的，所述信号重构与处理单元包含专用测量软件，对热图像序列信号进行时间和空间超分辨率重构，并进一步完成缺陷智能诊断。

一种TSV封装缺陷检测装置及其检测方法，包含如下步骤：

a.采用共轭激光束对被测TSV样片进行热激励；

b.测量所述样片的表面温度变化信息，获取热图像序列；

c.对热图像序列温度值进行时间域超分辨率重构；

d.对热图像序列温度值进行空间域超分辨率重构；

e.对重构后的热图像或温度信号进行特征提取和优选，利用专家系统进行TSV封装失效预测及缺陷智能诊断。

进一步的，步骤a中将被测TSV样片放置在三维移动平台载物支架上，调整X、Y、Z位置、偏转角度及工作距离，使TSV样片进入视场并处于热像仪视焦距位置；通过可调球形头万向光纤支架调整激光束入射角度，使用共轭激光束进行脉冲式加热。

进一步的，所述步骤c中，所述时间超分辨率重构是指对热图像序列温度值进行插值和拟合，从而获得任意时刻的热图像，突破设备的帧频限制。

更进一步的，所述步骤c图像序列中各点对应温度值，并进行时间域插值和拟合，对于序列热图像中位任意位置(m，n)的温度值，当有采集时间样本数据t＝(t₁,t₂,…t_K)，有对应的温度值P(m,n)＝(p₁,p₂,…p_K)，寻找函数，使其满足P(m,n)＝F(t)，从而获得任意时刻的温度值。

进一步的，所述步骤d.中，所述空间超分辨率重构即由低分辨率图像通过自学习方式获得高分辨图像。

更进一步的，所述步骤d.中基于单帧或多帧热图像，进行空间域超分辨率重建，以低分辨图像中点为中心的块通过模糊采样并反向推演得到对应位置块并逐步构建低/高分辨率库以获得包含更丰富细节信息的高频热图像，提高红外探测空间解析度。

本发明方法及装置可对小孔径、高深宽比TSV封装缺陷进行失效预测和缺陷智能诊断，本发明采用激光加热和主动红外热成像技术实现了快速、非接触式无损检测，并结合超分辨率重构技术，有效解决了微纳米尺度下缺陷检测时间和空间分辨率较低等问题，破了现有检测方法和设备的局限性，为高密度三维封装可靠性分析提供了一种新的手段。

附图说明

图1是超分辨率重构的主动红外TSV封装缺陷检测装置示意图。

图2是TSV封装缺陷检测步骤。

图3是时间域超分辨率重构示意图。

图4是空间域超分辨重构示意图。

图5是TSV封装微焊球检测超分辨率图像。

附图标记：1、三维空间移动定位平台，2、TSV样片，3、半导体激光器、4、激光分束器，5、6、光准直扩束器，7、红外热成像仪，8、主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种TSV缺陷检测装置及其检测方法，采用共轭激光束对TSV样片进行热激励，并测量TSV样片表面温度分布及其随时间演变状况，得到序列热图像，然后利用时间插值及图像超分辨率重构技术得到具有更高时间和空间解析度的温度/热信号，通过更丰富的高频信号特征进行TSV失效预测和缺陷诊断，如图2所示，实施例1步骤如下：

步骤1将被测TSV样片放置在三维移动平台载物支架上，调整X、Y、Z位 置、偏转角度及工作距离，使TSV样片进入视场并处于热像仪视焦距位置。通过可调球形头万向光纤支架调整激光束入射角度，使用共轭激光束进行脉冲式加热，并测量TSV样片表面温度分布及其随时间演变状况，记录热图像序列；

步骤2提取热图像序列中各点对应温度值，并进行时间域插值和拟合，对于序列热图像中位任意位置(m，n)的温度值，当有采集时间样本数据t＝(t₁,t₂,…t_K)，有对应的温度值P(m,n)＝(p₁,p₂,…p_K)，寻找函数，使其满足P(m,n)＝F(t)，从而获得任意时刻的温度值，如图3所示，实现了时间域超分辨率重构，以突破热像仪帧频较低的限制；

步骤3基于单帧或多帧热图像，进行空间域超分辨率重建，以低分辨图像中点为中心的块通过模糊采样并反向推演得到对应位置块并逐步构建低/高分辨率库如图4所示，以获得包含更丰富细节信息的高频热图像，提高红外探测空间解析度；

步骤4对重构后的热图像或温度信号进行特征提取和优选，利用智能算法对TSV封装缺陷进行有效诊断与分析；

至此，即可完成基于时间和空间域超分辨率重构的主动红外TSV缺陷过程。

采用上述TSV封装缺陷检测方法的装置，主要包括三维空间移动定位平台、半导体激光激励单元、热图像采集单元、信号重构与处理单元和控制单元。

本装置中的三维空间移动定位平台1，可在X、Y、Z三个方向上移动，将被测TSV样片2放置在移动平台载物支架上，可在XY、XZ、YZ平面内转动，实现所述TSV样片的调焦和定位；移动平台含有预热装置，可对被测TSV样片进行预加热，使之获得高于环境的初试温度，以去除环境热噪声对检测结果的影响；

本装置中的半导体激光热激励单元，采用半导体激光器3，通过激光分束器4和激光准直扩束器5、6形成共轭激光束对TSV样片进行加热。半导体激光器输出功率连续可调，工作方式和脉冲激励时间可控，装置采用万向光纤支架调整激光束入射方向。半导体激光器3的中心波长为810nm。

本装置中的热图像采集单元使用红外热成像仪7测量TSV样片表面温度场，并将热图像序列保存于主控计算机8中。

本装置中的信号重构与处理单元指系统专用测量软件，对热图像序列进行时间和空间域的超分辨率重构，以获得高分辨率热图像/温度信号，以解决红外热像仪帧频低，空间分辨率不高等问题。

本装置中的控制单元由主控计算机8，通过专用测量软件控制三维移动定位平台、半导体激光激励单元、热图像采集单元及信号重构与处理单元进行操作，使各单元进行协调有序。

本发明及其装置应用实例如图5所示，将TSV样片置于三维移动平台载物支架，调整位置及角度，使之处于热成像焦距位置，通过共轭激光束进行热激励，获得TSV样片热图像序列，应用超分辨率重构技术，对热图像进行了空间和时间域重构，得到了包含更多细节信息的高分辨率图像，并依此进行缺陷辨识，解决了传统红外无损检测方法中采样频率低，空间解析度不够等难题，为IC封装可靠性分析提供了一种高效的、非接触、全场测量技术和装置。