本發(fā)明公開一種TSV封裝缺陷檢測裝置及其檢測方法，具體涉及三維系統(tǒng)封裝中的基于硅通孔垂直互聯(lián)(TSV，Through Silicon Via)的封裝缺陷檢測技術，屬于微電子封裝技術領域。

背景技術：

隨著微電子封裝技術向高密度和高I/O引腳數(shù)發(fā)展，三維封裝技術受到了越來越多的重視和研究，應運產(chǎn)生了許多種基于堆疊方法的3D封裝技術，其中進展較快、也最為熱門的是貫穿硅的通孔(through silicon via,TSV)互連技術。TSV互連技術將兩層和更多層器件裸片或者整個硅圓片先采用激光或者刻蝕工藝形成許多微小的垂直通孔，然后進行孔內(nèi)的金屬化或者填充銅、鎢等金屬，通過許多垂直貫通的電極，將器件裸片或者整個硅圓片鍵合在一起。與以往的IC封裝鍵合工藝相比，TSV能實現(xiàn)最短、最豐富的z向互聯(lián)。這樣不僅可提高器件集成度，而且可減少互連延時，提高器件運行速度和降低功耗。盡管TSV技術具有眾多的優(yōu)勢，但也存在許多關鍵的技術難題和挑戰(zhàn)，如高深寬比的硅通孔制作和填充。通過激光鉆孔或深反應性離子蝕刻形成硅通孔后，需要依次進行絕緣層、阻擋層和晶種層的淀積，及通孔填充，而TSV填充過程中因工藝參數(shù)選擇不當或TSV深寬比過大易出現(xiàn)孔洞、縫隙、不完全填充等缺陷。

為了確保TSV填充質(zhì)量，提高IC產(chǎn)品的可靠性，需要對TSV填充過程中產(chǎn)生的缺陷進行檢測，進而進行工藝參數(shù)的調(diào)整。TSV制作及金屬化完成后通過微凸塊或微球陣列進行堆疊，鍵合工藝過程中也需要進行有效檢測和監(jiān)控。而TSV直徑的不斷減小及深寬比的進一步增大，給3D-TSV缺陷檢測和失效分析帶來了極大的挑戰(zhàn)。

目前，3D-TSV檢測方法主要有接觸式和非接觸式檢測兩類。前者包括電測試和功能測試等，可以很好地檢測出產(chǎn)品失效情況，但不能有效定位缺陷位置，針對不同檢測對象還需要設計不同的測試裝置。主要的非接觸式無損檢測方法有：光學視覺檢測、紅外成像檢測、X射線檢測和掃描聲顯微鏡(SAM)檢測。采用傳統(tǒng)無損檢測方法對3D-TSV結構進行缺陷檢測和失效分析都存在一些問題尚待解決，其中分辨率低，無法適應小孔徑、高深寬比TSV結構，是目前最主要的技術難題之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種TSV缺陷檢測裝置及其檢測方法，采用共軛激光束對TSV 樣片進行熱激勵，并測量TSV樣片表面溫度分布及其隨時間演變狀況，得到序列熱圖像，然后利用時間插值及圖像超分辨率重構技術得到具有更高時間和空間解析度的溫度/熱信號，通過更豐富的高頻信號特征進行TSV失效預測和缺陷診斷。

本發(fā)明裝置包括：間移動定位平臺、半導體激光激勵單元、熱圖像采集單元、信號重構與處理單元和控制單元，其中，所述三維空間移動定位平臺含有載物支架，可在X、Y、Z三個方向上平移，在XY、XZ、YZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)所述TSV樣片的調(diào)焦和定位；所述半導體激光激勵單元采用共軛激光束對所述TSV樣片施加熱激勵；所述熱圖像采集系統(tǒng)使用紅外熱成像儀測量TSV樣片表面溫度場，并將熱圖像序列保存于主控計算機中；信號重構與處理系統(tǒng)對熱圖像/溫度序列值進行重構，并進行缺陷智能辨識；所述控制系統(tǒng)由主控計算機協(xié)調(diào)控制各單元進行操作。

進一步的，半導體激光激勵單元包括半導體激光器、激光分束器和激光準直擴束器，導體激光器、激光分束器和激光準直擴束器成共軛激光束對TSV樣片進行加熱，并采用萬向光纖支架調(diào)整激光束入射方向；

進一步的，半導體激光器的中心波長為810nm，避開了半導體材料的紅外吸收波段，從而減小了熱噪聲，提高了加熱效率。

進一步的，所述信號重構與處理單元包含專用測量軟件，對熱圖像序列信號進行時間和空間超分辨率重構，并進一步完成缺陷智能診斷。

一種TSV封裝缺陷檢測裝置及其檢測方法，包含如下步驟：

a.采用共軛激光束對被測TSV樣片進行熱激勵；

b.測量所述樣片的表面溫度變化信息，獲取熱圖像序列；

c.對熱圖像序列溫度值進行時間域超分辨率重構；

d.對熱圖像序列溫度值進行空間域超分辨率重構；

e.對重構后的熱圖像或溫度信號進行特征提取和優(yōu)選，利用專家系統(tǒng)進行TSV封裝失效預測及缺陷智能診斷。

進一步的，步驟a中將被測TSV樣片放置在三維移動平臺載物支架上，調(diào)整X、Y、Z位置、偏轉(zhuǎn)角度及工作距離，使TSV樣片進入視場并處于熱像儀視焦距位置；通過可調(diào)球形頭萬向光纖支架調(diào)整激光束入射角度，使用共軛激光束進行脈沖式加熱。

進一步的，所述步驟c中，所述時間超分辨率重構是指對熱圖像序列溫度值進行插值和擬合，從而獲得任意時刻的熱圖像，突破設備的幀頻限制。

更進一步的，所述步驟c圖像序列中各點對應溫度值，并進行時間域插值和擬合，對于序列熱圖像中位任意位置(m，n)的溫度值，當有采集時間樣本數(shù)據(jù)t＝(t₁,t₂,…t_K)，有對應的溫度值P(m,n)＝(p₁,p₂,…p_K)，尋找函數(shù)，使其滿足P(m,n)＝F(t)，從而獲得任意時刻的溫度值。

進一步的，所述步驟d.中，所述空間超分辨率重構即由低分辨率圖像通過自學習方式獲得高分辨圖像。

更進一步的，所述步驟d.中基于單幀或多幀熱圖像，進行空間域超分辨率重建，以低分辨圖像中點為中心的塊通過模糊采樣并反向推演得到對應位置塊并逐步構建低/高分辨率庫以獲得包含更豐富細節(jié)信息的高頻熱圖像，提高紅外探測空間解析度。

本發(fā)明方法及裝置可對小孔徑、高深寬比TSV封裝缺陷進行失效預測和缺陷智能診斷，本發(fā)明采用激光加熱和主動紅外熱成像技術實現(xiàn)了快速、非接觸式無損檢測，并結合超分辨率重構技術，有效解決了微納米尺度下缺陷檢測時間和空間分辨率較低等問題，破了現(xiàn)有檢測方法和設備的局限性，為高密度三維封裝可靠性分析提供了一種新的手段。

附圖說明

圖1是超分辨率重構的主動紅外TSV封裝缺陷檢測裝置示意圖。

圖2是TSV封裝缺陷檢測步驟。

圖3是時間域超分辨率重構示意圖。

圖4是空間域超分辨重構示意圖。

圖5是TSV封裝微焊球檢測超分辨率圖像。

附圖標記：1、三維空間移動定位平臺，2、TSV樣片，3、半導體激光器、4、激光分束器，5、6、光準直擴束器，7、紅外熱成像儀，8、主控計算機。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明提供了一種TSV缺陷檢測裝置及其檢測方法，采用共軛激光束對TSV樣片進行熱激勵，并測量TSV樣片表面溫度分布及其隨時間演變狀況，得到序列熱圖像，然后利用時間插值及圖像超分辨率重構技術得到具有更高時間和空間解析度的溫度/熱信號，通過更豐富的高頻信號特征進行TSV失效預測和缺陷診斷，如圖2所示，實施例1步驟如下：

步驟1將被測TSV樣片放置在三維移動平臺載物支架上，調(diào)整X、Y、Z位 置、偏轉(zhuǎn)角度及工作距離，使TSV樣片進入視場并處于熱像儀視焦距位置。通過可調(diào)球形頭萬向光纖支架調(diào)整激光束入射角度，使用共軛激光束進行脈沖式加熱，并測量TSV樣片表面溫度分布及其隨時間演變狀況，記錄熱圖像序列；

步驟2提取熱圖像序列中各點對應溫度值，并進行時間域插值和擬合，對于序列熱圖像中位任意位置(m，n)的溫度值，當有采集時間樣本數(shù)據(jù)t＝(t₁,t₂,…t_K)，有對應的溫度值P(m,n)＝(p₁,p₂,…p_K)，尋找函數(shù)，使其滿足P(m,n)＝F(t)，從而獲得任意時刻的溫度值，如圖3所示，實現(xiàn)了時間域超分辨率重構，以突破熱像儀幀頻較低的限制；

步驟3基于單幀或多幀熱圖像，進行空間域超分辨率重建，以低分辨圖像中點為中心的塊通過模糊采樣并反向推演得到對應位置塊并逐步構建低/高分辨率庫如圖4所示，以獲得包含更豐富細節(jié)信息的高頻熱圖像，提高紅外探測空間解析度；

步驟4對重構后的熱圖像或溫度信號進行特征提取和優(yōu)選，利用智能算法對TSV封裝缺陷進行有效診斷與分析；

至此，即可完成基于時間和空間域超分辨率重構的主動紅外TSV缺陷過程。

采用上述TSV封裝缺陷檢測方法的裝置，主要包括三維空間移動定位平臺、半導體激光激勵單元、熱圖像采集單元、信號重構與處理單元和控制單元。

本裝置中的三維空間移動定位平臺1，可在X、Y、Z三個方向上移動，將被測TSV樣片2放置在移動平臺載物支架上，可在XY、XZ、YZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)所述TSV樣片的調(diào)焦和定位；移動平臺含有預熱裝置，可對被測TSV樣片進行預加熱，使之獲得高于環(huán)境的初試溫度，以去除環(huán)境熱噪聲對檢測結果的影響；

本裝置中的半導體激光熱激勵單元，采用半導體激光器3，通過激光分束器4和激光準直擴束器5、6形成共軛激光束對TSV樣片進行加熱。半導體激光器輸出功率連續(xù)可調(diào)，工作方式和脈沖激勵時間可控，裝置采用萬向光纖支架調(diào)整激光束入射方向。半導體激光器3的中心波長為810nm。

本裝置中的熱圖像采集單元使用紅外熱成像儀7測量TSV樣片表面溫度場，并將熱圖像序列保存于主控計算機8中。

本裝置中的信號重構與處理單元指系統(tǒng)專用測量軟件，對熱圖像序列進行時間和空間域的超分辨率重構，以獲得高分辨率熱圖像/溫度信號，以解決紅外熱像儀幀頻低，空間分辨率不高等問題。

本裝置中的控制單元由主控計算機8，通過專用測量軟件控制三維移動定位平臺、半導體激光激勵單元、熱圖像采集單元及信號重構與處理單元進行操作，使各單元進行協(xié)調(diào)有序。

本發(fā)明及其裝置應用實例如圖5所示，將TSV樣片置于三維移動平臺載物支架，調(diào)整位置及角度，使之處于熱成像焦距位置，通過共軛激光束進行熱激勵，獲得TSV樣片熱圖像序列，應用超分辨率重構技術，對熱圖像進行了空間和時間域重構，得到了包含更多細節(jié)信息的高分辨率圖像，并依此進行缺陷辨識，解決了傳統(tǒng)紅外無損檢測方法中采樣頻率低，空間解析度不夠等難題，為IC封裝可靠性分析提供了一種高效的、非接觸、全場測量技術和裝置。