一、引言

半導(dǎo)體封裝模具導(dǎo)通孔（直徑 0.1-1.0mm，長徑比 8-30，孔密度達(dá) 100-500 孔 /cm2，材質(zhì)多為 SKD11 模具鋼，孔壁粗糙度 Ra≤0.4μm）是芯片引腳互連的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，孔深偏差＞2μm 或內(nèi)壁臺(tái)階＞0.8μm 會(huì)導(dǎo)致焊料填充不均，引發(fā)芯片焊接良率下降 15% 以上。傳統(tǒng)檢測依賴顯微成像與接觸式探針，前者受景深限制，孔深測量誤差＞4μm，后者易劃傷孔壁且無法適配高密度孔陣，檢測覆蓋率＜60%。激光頻率梳 3D 輪廓技術(shù)憑借微尺度探測與高密度孔陣適配優(yōu)勢，突破導(dǎo)通孔檢測的精度與效率瓶頸，為半導(dǎo)體封裝質(zhì)量管控提供可靠方案。

二、檢測原理與封裝模具適配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）核心檢測原理

依托激光頻率梳 “等間隔頻率梳齒” 的光頻基準(zhǔn)特性，將導(dǎo)通孔深與微輪廓測量轉(zhuǎn)化為高密度孔陣下光程差的精準(zhǔn)解析。鎖模飛秒脈沖經(jīng)分束器形成探測光與參考光，探測光通過微納光纖探頭聚焦于孔底，反射光隨孔深、內(nèi)壁形貌變化產(chǎn)生光程差，與參考光在高分辨率平衡探測器形成干涉信號(hào)。依據(jù)v_N = Nf_{text{rep}} + f_{text{ceo}}頻率公式提取相位信息，結(jié)合微尺度坐標(biāo)解算重構(gòu) 3D 輪廓，孔深測量精度達(dá) 0.05μm 量級(jí)。

（二）封裝模具專用系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)采用中心波長 1064nm 飛秒激光頻率梳（重復(fù)頻率 250MHz），搭配直徑 0.8mm 的微納石英探頭（表面鍍金剛石涂層，耐磨壽命＞1000h），適配微小孔道探測。通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的五軸精密平臺(tái)實(shí)現(xiàn) 0.02mm 步距的陣列掃描（線速度 0.6mm/s），結(jié)合 16 通道高速數(shù)據(jù)采集卡（采樣率 6GS/s），單模具高密度孔陣檢測耗時(shí)≤55s。針對 SKD11 鋼高反光特性，增設(shè) 8nm 帶寬濾光片與偏振校準(zhǔn)模塊，信噪比提升 50%。

三、導(dǎo)通孔檢測的關(guān)鍵技術(shù)突破

（一）高密度微孔遮擋消除

開發(fā)孔陣拓?fù)涠ㄎ?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法，通過預(yù)掃描建立孔位坐標(biāo)地圖，實(shí)時(shí)調(diào)整探頭入射角度（范圍 ±25°）與聚焦深度（范圍 0-20mm），消除孔間間距過小導(dǎo)致的遮擋。結(jié)合消球差微透鏡組，將光斑直徑壓縮至 8μm，在長徑比 30 的 Φ0.3mm 導(dǎo)通孔檢測中，孔壁、孔底數(shù)據(jù)完整度達(dá) 99.5%，檢測覆蓋率提升至 100%。

（二）微尺度干擾抑制

研發(fā)多參量聯(lián)動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)修正f_{text{rep}}與f_{text{ceo}}漂移（補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間＜0.3ms），抵消壓電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差、±1.5℃溫度波動(dòng)及加工殘留雜光干擾。通過自適應(yīng)濾波算法剔除微顆粒反射信號(hào)，缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 99.2%。實(shí)驗(yàn)顯示，補(bǔ)償后孔深測量重復(fù)性誤差從 0.35μm 降至 0.09μm，內(nèi)壁輪廓分辨率達(dá) 0.12μm。

四、精度驗(yàn)證與工程應(yīng)用

（一）精度校準(zhǔn)結(jié)果

以標(biāo)準(zhǔn)微尺度孔陣量規(guī)（孔深偏差 ±0.08μm）校準(zhǔn)，系統(tǒng)孔深測量誤差≤±0.18μm，可清晰識(shí)別電火花加工殘留的微米級(jí)紋路（深度 0.6μm）與孔口毛刺。與激光共聚焦顯微鏡對比，檢測一致性達(dá) 99.6%，效率較顯微成像提升 12 倍。

（二）實(shí)際應(yīng)用案例

在 QFP 封裝模具（Φ0.5mm 導(dǎo)通孔，300 孔 /cm2 密度，孔深 12mm）檢測中，成功檢出 0.2μm 的孔深錐度偏差與 0.7μm 的內(nèi)壁臺(tái)階，檢測結(jié)果通過芯片封裝焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，焊接良率提升至 98% 以上。在批量檢測中，該技術(shù)實(shí)現(xiàn) 100% 孔陣篩查，誤判率控制在 0.1% 以下，較傳統(tǒng)方法降低 92%

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測量系統(tǒng)簡介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進(jìn)展。2000年左右，美國J.Hall教授團(tuán)隊(duì)?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測量而生。在1m超長工作距離下，仍能保持微米級(jí)精度，革新自動(dòng)化檢測技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢?

①同軸落射測距：獨(dú)特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實(shí)現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數(shù)十米范圍的檢測需求。

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇