半导体封装模具导通孔孔深光学 3D 轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓技术

一、引言

半导体封装模具导通孔（直径 0.1-1.0mm，长径比 8-30，孔密度达 100-500 孔 /cm²，材质多为 SKD11 模具钢，孔壁粗糙度 Ra≤0.4μm）是芯片引脚互连的关键结构，孔深偏差＞2μm 或内壁台阶＞0.8μm 会导致焊料填充不均，引发芯片焊接良率下降 15% 以上。传统检测依赖显微成像与接触式探针，前者受景深限制，孔深测量误差＞4μm，后者易划伤孔壁且无法适配高密度孔阵，检测覆盖率＜60%。激光频率梳 3D 轮廓技术凭借微尺度探测与高密度孔阵适配优势，突破导通孔检测的精度与效率瓶颈，为半导体封装质量管控提供可靠方案。

二、检测原理与封装模具适配系统设计

（一）核心检测原理

依托激光频率梳 “等间隔频率梳齿” 的光频基准特性，将导通孔深与微轮廓测量转化为高密度孔阵下光程差的精准解析。锁模飞秒脉冲经分束器形成探测光与参考光，探测光通过微纳光纤探头聚焦于孔底，反射光随孔深、内壁形貌变化产生光程差，与参考光在高分辨率平衡探测器形成干涉信号。依据v_N = Nf_{text{rep}} + f_{text{ceo}}频率公式提取相位信息，结合微尺度坐标解算重构 3D 轮廓，孔深测量精度达 0.05μm 量级。

（二）封装模具专用系统构建

系统采用中心波长 1064nm 飞秒激光频率梳（重复频率 250MHz），搭配直径 0.8mm 的微纳石英探头（表面镀金刚石涂层，耐磨寿命＞1000h），适配微小孔道探测。通过压电陶瓷驱动的五轴精密平台实现 0.02mm 步距的阵列扫描（线速度 0.6mm/s），结合 16 通道高速数据采集卡（采样率 6GS/s），单模具高密度孔阵检测耗时≤55s。针对 SKD11 钢高反光特性，增设 8nm 带宽滤光片与偏振校准模块，信噪比提升 50%。

三、导通孔检测的关键技术突破

（一）高密度微孔遮挡消除

开发孔阵拓扑定位算法，通过预扫描建立孔位坐标地图，实时调整探头入射角度（范围 ±25°）与聚焦深度（范围 0-20mm），消除孔间间距过小导致的遮挡。结合消球差微透镜组，将光斑直径压缩至 8μm，在长径比 30 的 Φ0.3mm 导通孔检测中，孔壁、孔底数据完整度达 99.5%，检测覆盖率提升至 100%。

（二）微尺度干扰抑制

研发多参量联动校准系统，实时修正f_{text{rep}}与f_{text{ceo}}漂移（补偿响应时间＜0.3ms），抵消压电平台运动误差、±1.5℃温度波动及加工残留杂光干扰。通过自适应滤波算法剔除微颗粒反射信号，缺陷识别准确率达 99.2%。实验显示，补偿后孔深测量重复性误差从 0.35μm 降至 0.09μm，内壁轮廓分辨率达 0.12μm。

四、精度验证与工程应用

（一）精度校准结果

以标准微尺度孔阵量规（孔深偏差 ±0.08μm）校准，系统孔深测量误差≤±0.18μm，可清晰识别电火花加工残留的微米级纹路（深度 0.6μm）与孔口毛刺。与激光共聚焦显微镜对比，检测一致性达 99.6%，效率较显微成像提升 12 倍。

（二）实际应用案例

在 QFP 封装模具（Φ0.5mm 导通孔，300 孔 /cm² 密度，孔深 12mm）检测中，成功检出 0.2μm 的孔深锥度偏差与 0.7μm 的内壁台阶，检测结果通过芯片封装焊接试验验证，焊接良率提升至 98% 以上。在批量检测中，该技术实现 100% 孔阵筛查，误判率控制在 0.1% 以下，较传统方法降低 92%

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.Hänsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。​

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。​

核心技术优势​

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；​

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；​

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）

审核编辑 黄宇