半导体封装中，如何高效实现微米级至亚微米级芯片间隙的非接触式在线检测？【高精度测量，自动化】

1. 基于芯片的基本结构与技术要求

在半导体封装中，芯片间隙指的是芯片与基板之间、芯片与芯片之间、或者芯片与封装材料层之间的微小空间距离。这个间隙的尺寸通常在微米到亚毫米级别。例如，在倒装芯片（Flip-Chip）封装中，需要精确控制芯片底部与基板之间的焊料凸点高度；在堆叠芯片（Stack Die）封装中，层与层之间的粘合剂厚度和芯片间距直接影响最终封装的整体高度和电信号传输。

这些间隙的测量要求极高。首先是精度，通常需要达到微米甚至亚微米级别，因为任何微小的偏差都可能导致性能下降。其次是非接触性，半导体器件非常脆弱，任何物理接触都可能造成损伤或污染。再次是测量速度，现代半导体生产线讲究效率，传感器需要能够实现高速在线检测。最后是抗干扰能力，半导体生产环境复杂，存在灰尘、震动、温度波动甚至电磁干扰，传感器必须能在这种环境下稳定工作。

2. 针对芯片的相关技术标准简介

针对半导体封装中的关键尺寸和间隙，行业内定义了多种监测参数和评价方法，以确保产品质量和互换性。这些参数包括但不限于：

• 焊点高度/凸点高度（Bump Height）：指的是芯片与基板连接处焊料凸点的垂直尺寸。其评价通常通过测量多个点的平均值和标准偏差，以确保均匀性和一致性。

• 芯片共面度（Coplanarity）：指芯片或引脚阵列所有关键点相对于一个参考平面的最大垂直偏差。评价方法是选取芯片四周或阵列中的多个点进行高度测量，计算其最大与最小高度差。

• 粘合层厚度（Bond Line Thickness, BLT）：指芯片与基板或其他芯片之间粘合材料层的厚度。通常通过测量粘合层上下表面高度并计算差值获得。

• 引线键合弧高（Wire Bond Loop Height）：在引线键合封装中，金线或铜线从芯片到引脚的弧形高度。评价其一致性对避免短路和确保信号完整性很重要。

• 封装厚度与翘曲度（Package Thickness & Warpage）：整个封装的最终厚度和表面平整度。翘曲度通常通过测量封装表面多个点的高度，来评估其平面变形程度。

这些参数的监测，旨在控制封装过程中的关键尺寸，保证电气连接的可靠性、散热效率和机械稳定性。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在半导体封装领域，用于芯片间隙测量的非接触式传感器技术多种多样，各有其独特的优势和适用场景。这里我们介绍几种主流的技术方案。

激光三角测量技术

激光三角测量是一种非常常见的非接触式位移测量方法，它基于光学三角原理来确定物体表面的距离。其工作原理可以形象地理解为，我们通过改变观察角度来判断物体的远近，就像我们用双眼判断距离一样。

传感器内部会发射一束高度集中的激光点，这束激光照射到被测物体表面后，会形成一个光斑。这个光斑的反射光被传感器内部的一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS/CCD相机从另一个特定角度接收。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光在探测器上的光斑位置也会相应地移动。传感器通过精确地测量光斑在探测器上的这个位置变化，结合预先设定的光学几何参数（如激光发射器与接收器之间的距离、接收透镜的焦距等），就可以精确地计算出被测物体到传感器的距离。

其基本几何关系可以简化为：D = (L * tan(θ)) / (1 + tan(θ) * cot(α))其中，D是被测物体与传感器基准面的距离，L是发射器与接收器之间的距离，θ是激光束与被测物体表面的入射角，α是反射光进入接收器的角度。通过这个公式，传感器可以将光斑位置的线性变化转换为距离的线性变化。

这种技术的核心性能参数通常包括：* 测量范围：从几十毫米到数米不等，具体取决于传感器型号和光学设计。* 分辨率：通常在微米到几十微米之间，高端产品可达亚微米级别。* 线性度：一般为满量程的±0.03%到±0.1%。* 响应速度：更新频率可达到1 kHz到数 kHz，能够满足高速在线检测的需求。

技术方案的优缺点：* 优点： * 适用性广：能测量多种材料表面，包括金属、塑料、陶瓷等，对半导体封装中常见的材料兼容性好。 * 响应速度快：适合在线实时监测和高速运动物体的测量。 * 相对成本效益高：相较于某些超精密光学技术，其价格更具竞争力。 * 抗环境干扰能力较强：通过优化算法和滤波技术，可以在一定程度上抵抗灰尘和光照变化的影响。* 缺点： * 对表面特性敏感：物体的颜色、粗糙度、反射率会影响测量结果，特别是高反射或吸光表面可能需要特殊处理。 * 阴影效应：当物体表面有陡峭的坡度或凹槽时，可能会出现激光照射不到或反射光无法被接收的情况，导致测量盲区。 * 精度极限：在纳米甚至亚纳米级别的超高精度测量方面，激光三角测量存在一定的物理极限，通常难以达到电容式或干涉测量的高度。

激光三角测量技术尤其适用于需要中长距离、高速度、微米级精度的芯片间隙测量，例如封装整体厚度、引线键合弧高、基板翘曲度等宏观尺寸的检测。

电容式测量技术

电容式测量利用了电容的原理。想象一下，两个平行放置的导电板（就像两块金属板），它们之间可以存储电荷，这个能力就叫电容。当这两块板之间的距离发生变化时，它们存储电荷的能力也会改变。

电容式传感器通常由一个或多个传感器电极和被测导电物体组成，两者之间形成一个电容器。根据平行板电容器的公式：C = (ε * A) / d其中，C是电容值，ε是介质的介电常数（在空气中为真空介电常数），A是电极的有效面积，d是电极与被测物体之间的距离。从公式可以看出，电容值C与距离d成反比。传感器通过高精度电路检测电容值的微小变化，然后将其转换为距离信号。

核心性能参数：* 测量范围：非常短，通常在几十微米到几毫米，甚至更短。* 分辨率：极高，可达0.1纳米甚至更高。* 线性度：优于满量程的0.01%。* 响应速度：通常很快，适用于高速测量和闭环控制。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度：能够实现纳米级甚至亚纳米级的位移测量，在半导体制造中对微观尺寸的控制至关重要。 * 非接触式测量：对脆弱的半导体器件无损。 * 抗环境干扰能力强：不易受光学表面特性（颜色、光洁度）的影响，在真空、低温等极端环境下也能保持稳定。 * 响应速度快：适用于需要快速反馈和控制的场景。* 缺点： * 仅限导电物体：被测物体必须是导电的，不适用于测量绝缘材料。 * 测量范围极短：只能测量非常小的距离。 * 对灰尘和湿度敏感：空气中的灰尘和湿度会影响介电常数，进而影响测量精度，需要洁净干燥的环境。 * 成本较高：高精度电容传感器通常价格不菲。

电容式传感器非常适合对芯片间隙进行超精密、短距离的定位和测量，例如晶圆级键合的精确对准、微间隙的控制等。

白光干涉测量技术

白光干涉测量技术利用了光的波动性原理，就像在水面上同时投入两颗石子，它们产生的波纹会相互叠加，形成明暗相间的干涉条纹。通过分析这些条纹，我们就能推断出水面波动的情况。

白光干涉测量中，传感器发射宽带（白光）光源到被测物体表面。这束光被分成两部分：一部分照射到被测物体表面并反射回来，另一部分照射到传感器内部的参考镜并反射回来。这两束反射光重新汇合时，会发生干涉。由于白光包含多种波长，只有当两束光的光程差（走过的路径长度差）非常接近零时，才能在探测器上观察到清晰的干涉条纹。传感器通常会沿着垂直方向（Z轴）扫描，寻找干涉条纹对比度最高的点，这个点对应的Z轴位置就是被测物体的高度。通过对目标表面进行扫描，可以构建出高精度的三维表面形貌。

核心性能参数：* 垂直接向分辨率：<0.1纳米，可实现亚纳米级精度。* 垂直接向精度：0.1纳米 RMS (均方根)。* 测量范围：数十微米到数毫米。* 视场：取决于物镜选择，可测量较大区域。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高的精度和分辨率：能够实现亚纳米级甚至更小的垂直测量，是目前最精密的非接触式测量技术之一。 * 提供三维形貌数据：不仅仅是距离，还能获得整个表面的三维形貌信息，对分析表面粗糙度、缺陷、翘曲等非常有价值。 * 非接触式测量：对半导体器件无损伤。 * 适用于多种材料：包括透明、半透明和反射材料。* 缺点： * 测量速度相对较慢：通常需要进行Z轴扫描，不适合高速在线检测。 * 对环境敏感：易受震动、温度变化等环境因素影响，通常需要在稳定的实验室或产线环境中使用。 * 成本极高：设备通常昂贵。 * 要求表面光洁度较高：对于非常粗糙或阶梯状的表面，可能难以获得清晰的干涉信号。

白光干涉测量主要用于半导体晶圆、芯片和封装的超精密表面形貌和高度测量，例如检测晶圆表面缺陷、薄膜厚度、微米级结构的高度和共面度等。

光谱共焦测量技术

光谱共焦测量技术利用了光的色散现象，就像棱镜能把白光分解成七彩光一样，不同颜色的光有不同的折射率，因此通过透镜聚焦时，焦点位置也会略有不同。

光谱共焦传感器发射宽带白光（包含多种波长）到色差透镜。这个特殊透镜的特点是会使得不同波长的光聚焦在不同的空间深度。也就是说，红光可能聚焦在较远的位置，蓝光聚焦在较近的位置，中间是其他颜色的光。当被测物体表面正好位于某个特定波长光的焦点时，只有这个波长的光才能被最有效地反射回来，并通过共焦针孔到达光谱仪。光谱仪会分析反射光的光谱，找到峰值强度对应的波长。由于每个波长都对应一个唯一的焦点距离，通过检测到的峰值波长，传感器就能精确地确定被测物体表面与传感器之间的距离。

核心性能参数：* 测量范围：从几十微米到几十毫米，根据型号和物镜选择。* 垂直接向分辨率：1纳米到100纳米，取决于配置。* 测量频率：高达 70 kHz，属于高速测量。* 线性度：通常优异。

技术方案的优缺点：* 优点： * 适用于多种表面：特别擅长测量透明、半透明、反射和散射表面，非常适合半导体封装中的多层结构，如测量玻璃、薄膜厚度或表面下的结构。 * 高分辨率和高精度：能够实现纳米级的高精度测量。 * 非接触式测量：对脆弱器件无损伤。 * 高速度在线测量：较高的测量频率使其能集成到自动化产线。 * 对倾斜度不敏感：相比激光三角测量，对表面倾斜的容忍度更高。* 缺点： * 测量范围相对有限：虽然比电容式长，但不如部分激光三角测量传感器。 * 对光学特性有要求：虽然适用性广，但极端情况下的光学特性仍可能影响性能。 * 成本较高。

光谱共焦测量主要用于半导体封装中测量透明盖板厚度、多层封装的各层厚度、微透镜阵列的高度、以及某些对表面光学特性要求不高的精密测量。

（2）市场主流品牌/产品对比

选择合适的传感器，除了了解技术原理，也需要了解市场上有哪些优秀的品牌和产品。以下是一些主流品牌的对比：

• 日本基恩士

  • 采用技术：激光三角测量。

  • 核心性能：测量范围285至315毫米，分辨率0.05微米，线性度±0.03%满量程，采样周期200微秒。

  • 应用特点与优势：其传感器以极高的精度和速度著称，非常适合半导体生产线上对高速运动物体进行在线检测，操作界面友好，易于快速集成到现有的自动化产线中，减少调试时间。

• 英国真尚有

  • 采用技术：英国真尚有的ZLDS115系列传感器采用激光三角测量技术。

  • 核心性能：测量范围最大可达2000mm，最高分辨率0.01mm，线性度最优±0.03mm，更新频率1kHz，温度偏差±0.03% FS/°C，防护等级IEC IP65。可选高温版本可测量1500°C以上目标。

  • 应用特点与优势：ZLDS115以其强大的通用性和对恶劣环境的适应性脱颖而出。其宽广的测量范围使其能应对多种尺寸的封装体，高防护等级和宽工作温度范围保证了在半导体工厂复杂环境中的稳定运行。内置多种滤波器方便数据处理，还能双传感器配对进行厚度测量，这些功能使其在需要灵活部署和高可靠性的应用中表现出色。

• 法国福格勒

  • 采用技术：电容式测量。

  • 核心性能：测量范围50微米至数毫米，分辨率0.1纳米，线性度优于0.01%满量程。

  • 应用特点与优势：其VCP系列传感器提供业内领先的极高分辨率和精度，特别适用于对纳米级位移的极致精确测量。由于是非接触式，它能避免对半导体器件造成任何损伤。响应速度快，适合对精度要求严苛的闭环控制系统。同时，在真空、低温等极端严苛的半导体制造环境中，也能保持卓越的稳定性。

• 德国普雷西

  • 采用技术：光谱共焦测量。

  • 核心性能：测量范围50微米至50毫米，垂直接向分辨率1纳米至100纳米，测量频率高达70千赫兹。

  • 应用特点与优势：其CHRocodile C系列传感器特别擅长测量透明、半透明、反射和散射表面，这在半导体封装中测量多层结构（如玻璃盖板、薄膜层）时具有显著优势。高分辨率和高精度，结合高速测量能力，使其在需要对复杂光学表面进行在线、无损检测的场景中表现优异。

• 美国新思

  • 采用技术：白光干涉测量。

  • 核心性能：垂直接向分辨率小于0.1纳米，垂直接向精度0.1纳米 RMS，测量范围数十微米至数毫米。

  • 应用特点与优势：ZeGage Pro光学轮廓仪提供亚纳米级的超高精度和分辨率，是半导体晶圆、芯片和封装进行超精密表面形貌和高度测量的理想选择。作为一种非接触式测量方法，它完全无损。其独特之处在于能够测量各种材料的表面，包括透明和半透明材料，并提供详细的三维测量数据，便于进行深入的形貌分析和缺陷检测。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择激光位移传感器时，我们需要像挑选手术刀一样，根据“手术”的精细程度和环境要求，来匹配最合适的工具。以下是一些关键的技术指标及其选型建议：

• 测量范围（Measurement Range）：指的是传感器能测量的最大和最小距离。

  • 实际意义：如果需要测量芯片堆叠的整体高度（可能达到毫米级），就需要一个测量范围大的传感器；如果只是测量焊盘上的微小凸点高度（几十微米），则选择短量程、高精度的传感器更合适。

  • 选型建议：首先明确被测间隙的典型尺寸范围。对于芯片间隙这种通常在微米到毫米级别的测量，需要选择量程适中且在该量程内保持高精度的传感器。例如，对于需要较大测量范围的应用，可以选择测量范围可达2000mm的激光位移传感器。

• 分辨率（Resolution）：指传感器能够检测到的最小距离变化量。

  • 实际意义：分辨率就像尺子的最小刻度，刻度越小，能分辨的细节越多。它决定了你能看到多小的间隙变化。

  • 选型建议：芯片间隙的测量往往要求高分辨率，通常至少需要微米级，甚至亚微米或纳米级。对于要求极高的先进封装，如晶圆级封装，纳米级分辨率的电容式或白光干涉传感器是首选。对于常规的封装厚度、共面度等，微米级分辨率的激光三角测量传感器可能就足够。

• 线性度（Linearity）：指传感器在整个测量范围内，输出信号与实际距离变化之间关系的准确程度。

  • 实际意义：好的线性度意味着传感器在不同距离下测量结果的偏差非常小，不会出现“近了准，远了就不准”的情况。

  • 选型建议：线性度直接影响测量结果的可靠性，特别是当被测物体在传感器量程内有较大位移时。选择线性度指标优异（如满量程的±0.03%或更优）的传感器，可以确保在整个测量区域内都能获得一致且准确的数据。

• 重复性（Repeatability）：指传感器在相同条件下对同一物体进行多次测量时，测量结果的一致性。

  • 实际意义：重复性是衡量传感器稳定性的重要指标。在半导体生产中，我们希望传感器能持续给出稳定、一致的读数，就像一个可靠的裁判，每次判罚都能保持标准。

  • 选型建议：高重复性是在线检测的基础。通常，重复性应至少是测量公差的1/3到1/10。对于半导体封装，应选择重复性极高的传感器，以确保产品质量控制的稳定性和可靠性。

• 响应速度/更新频率（Response Speed / Update Frequency）：指传感器每秒能够输出多少个测量数据。

  • 实际意义：对于高速生产线，传感器需要“眼疾手快”，能够实时跟上生产节拍，否则就可能错过缺陷或者拖慢整个流程。

  • 选型建议：如果是在线实时检测，且生产节拍很快，就需要选择更新频率在1kHz甚至数kHz以上的传感器，如日本基恩士或德国普雷西的产品。对于离线检测或速度要求不高的场景，较低的更新频率也可能接受。

• 温度稳定性（Temperature Stability）：指环境温度变化对测量结果的影响程度。

  • 实际意义：半导体封装车间通常有严格的温控，但局部环境仍可能存在温度波动。传感器如果受温度影响大，测量结果就会飘忽不定。

  • 选型建议：选择具有良好温度稳定性的传感器，尤其是在环境温度可能波动的场景中。某些传感器还提供温度补偿功能，能进一步减少温度影响。例如，英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器具有良好的温度稳定性，温度偏差仅为±0.03% FS/°C。

• 输出接口（Output Interface）：传感器将测量数据传输给上位机的接口类型。

  • 实际意义：这决定了传感器能否顺利集成到现有的自动化控制系统或数据采集系统中。

  • 选型建议：常见的有模拟输出（4-20mA, 0-10V）和数字输出（RS232, RS422, Ethernet/IP, Profinet等）。根据上位机（PLC, PC等）的接口类型和通信协议选择兼容的传感器。数字输出通常能提供更稳定、抗干扰的数据传输。

• 目标材料兼容性：被测物体的材料特性（如颜色、反射率、透明度）对传感器的影响。

  • 实际意义：有些传感器对高反射的金属表面或透明的玻璃表面测量效果不佳，需要特别注意。

  • 选型建议：对于金属芯片或引脚，激光三角测量通常表现良好。如果涉及透明或半透明材料（如封装胶、玻璃盖板），则光谱共焦或白光干涉测量更为合适。电容式传感器仅适用于导电材料。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在半导体封装中应用激光位移传感器测量芯片间隙时，即使选择了最好的设备，仍可能遇到一些实际挑战。

• 问题一：灰尘和颗粒物干扰

  • 原因与影响：半导体生产虽在无尘室进行，但微小颗粒物仍可能附着在芯片表面或传感器镜头上。这些颗粒物会散射或阻挡激光束，导致测量信号不稳定、精度下降甚至无法测量。

  • 解决建议：

    • 清洁维护：定期使用无尘布和专用清洁剂清洁传感器镜头及保护罩。

    • 空气吹扫：在传感器附近安装洁净空气幕或气刀，持续吹除可能落下的灰尘。

    • 防护等级：选择高防护等级（如IP65或更高）的传感器，减少外部颗粒物进入内部的可能性。

    • 算法优化：传感器内置的滤波器（如中值滤波）可以在一定程度上滤除由瞬时颗粒物引起的异常数据点。

    • 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器具有IP65防护等级，适合在相对恶劣的环境中使用。

• 问题二：环境光干扰

  • 原因与影响：车间内的照明或生产设备发出的光线可能会与传感器发出的激光波长重叠，导致传感器接收到的光信号中包含“噪音”，影响测量精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 遮光：在传感器测量区域加装物理遮光罩，阻挡外部光源。

    • 窄带滤波：选择内置光学滤光片（窄带滤波器）的传感器，该滤光片只允许特定波长的激光通过，有效抑制环境光。

    • 高功率激光：使用激光功率更高的传感器，使其信号强度远高于环境光干扰。

• 问题三：被测物表面特性变化

  • 原因与影响：芯片或封装材料的表面可能存在颜色、粗糙度、反射率的变化。例如，有些区域是高度反射的金属，有些是吸光的黑色封装胶，这些差异会导致激光反射信号的强度和质量不稳定，影响测量。透明或半透明材料则有其特殊挑战。

  • 解决建议：

    • 多传感器融合：对特别复杂的表面，可以考虑使用不同原理的传感器进行协同测量，取长补短。

    • 传感器优化：选择对表面特性不敏感的传感器（如光谱共焦对透明材料表现优异，电容式对光学特性不敏感）。

    • 自动增益控制（AGC）：许多激光传感器内置AGC功能，能自动调整激光功率或接收器灵敏度，以适应不同反射率的表面。

    • 倾斜安装：对于高反射表面，可以尝试略微倾斜安装传感器，避免镜面反射光直接进入接收器导致饱和。

• 问题四：机械震动和温漂

  • 原因与影响：生产线上的机械臂运动、设备震动以及环境温度的微小波动，都可能导致传感器或被测物体的相对位置发生微小变化，产生虚假的测量数据。

  • 解决建议：

    • 减震设计：将传感器安装在稳定的基座上，或使用专业的减震平台。

    • 温度控制：确保传感器工作环境的温度稳定性，或选择具有优异温度补偿功能的传感器。

    • 高采样率：选择高采样率的传感器，通过快速连续测量，结合数据处理算法（如滑动平均），可以减少瞬时震动带来的误差。

    • 校准：定期对传感器进行校准，确保其在当前工作环境下的精度。

4. 应用案例分享

激光位移传感器在半导体封装的各个环节都有广泛应用：

• 芯片粘接高度检测：在芯片与基板的粘接过程中，精确测量芯片与基板之间的距离，确保粘接层厚度均匀，避免因过薄或过厚导致的性能问题。例如，英国真尚有的ZLDS115系列，凭借其高精度，能够胜任此类检测任务。

• 引线键合弧高控制：在引线键合环节，实时监测键合线的弧高和弧形，防止引线过高触碰封装顶部，或过低导致短路。

• 封装体厚度和翘曲度测量：在封装完成后，对整个封装体的厚度进行精确测量，并检测表面是否发生翘曲，确保封装符合产品规格和可靠性要求。

• 焊点和焊球共面性检查：对于BGA、QFN等封装类型，检测底部焊点或焊球的共面性，保证所有焊点都能与PCB板良好接触，提高焊接良率。

• 晶圆级封装（WLP）中的微间隙控制：在先进的晶圆级封装工艺中，需要对微米甚至亚微米级的层间间隙进行超精密测量，以保证多层结构的精确对准和粘接。