短波紅外線半導體檢測：合適的短波紅外線鏡頭如何帶來巨大差異

半導體製造容不得絲毫差錯。就算是一條未被發現的表面下裂縫、倒裝晶片下方的空隙，或是晶片黏接層內部的分層，都可能導致裝置在實際應用中失效——其後果從產品召回到汽車或工業應用中的安全事故，不一而足。隨著晶片架構日益複雜、封裝尺寸不斷縮小，傳統的光學檢測方法已無法滿足需求。

短波紅外線 (SWIR) 成像技術已成為現代半導體晶圓廠和封裝生產線中至關重要的非破壞性檢測技術。它使工程師和品質團隊能夠「透視」矽片本身，從而發現可見光相機和傳統自動光學檢測 (AOI) 系統完全無法察覺的缺陷。然而，SWIR 檢測系統的品質很大程度取決於一個常被忽視的組件：鏡頭。

本指南解釋了短波紅外線 (SWIR) 半導體檢測的工作原理、檢測範圍以及選擇專用 SWIR 鏡頭（例如以下型號）的重要性： Wavelength Opto-Electronic的 Infra® SWIR 鏡頭系列 ——是獲得可靠、高解析度偵測結果的基礎。

1. 什麼是短波紅外線成像？它對半導體產業有何重要意義？

短波紅外光（SWIR）是指波長在0.9微米至1.7微米之間的光（擴展短波紅外光可達2.5微米）。此波段位於可見光和近紅外線（NIR）區域之外，它與物質的相互作用方式與可見光截然不同。

短波紅外線（SWIR）相機－通常採用銦鎵砷（InGaAs）感測器－能夠偵測反射或透射的短波紅外線光。與成像發射熱量的熱紅外線相機不同，短波紅外線成像是一種反射和透射技術。這使得它對樣品內部的結構特徵和材料界面高度敏感。

短波紅外線（SWIR）技術之所以在半導體檢測領域擁有獨特的優勢，在於矽在該波段的光學透明性。矽的帶隙能量約為1.12 eV，對應的波長約為1100 nm。當波長超過此閾值時，光子的能量不足以被矽晶格吸收，它們會直接穿過矽晶格。這意味著SWIR成像系統可以直接透過矽晶圓或晶片，對錶面下的結構進行成像，而無需任何切割、拋光或化學去封裝處理。

這就是透射式短波紅外線（SWIR）檢測的基礎：將SWIR光源放置在樣品的一側，將配備SWIR鏡頭的InGaAs相機放置在另一側。任何結構缺陷——裂縫、空隙、分層或夾雜物——都會在透射影像中顯示為對比特徵。

2. SWIR在半導體檢測的關鍵應用

2.1 晶圓級缺陷檢測

在晶圓製造和切割過程中，矽片上常會引入微裂紋－沿著切割縫隙、研磨引起的亞表面損傷區或外延層界面。許多此類缺陷都埋藏在表面以下，在可見光顯微鏡下完全無法觀察到。

短波紅外線透射成像技術能夠以高空間解析度檢測所有這些缺陷。在生產環境中，結合合適的短波紅外線光學元件，短波紅外線掃描或線掃描相機可以實現全晶圓檢測，其吞吐量與自動化晶圓處理流程相匹配。在後續的熱循環或引線鍵合操作中，亞表面裂紋網絡會進一步擴展，而此時即可被偵測到。

對於厚度越來越薄的晶圓（在功率元件、射頻元件和3D IC整合中越來越常見），這一點尤其關鍵。在100微米或更薄的晶圓上，搬運過程中產生的微裂紋可能會造成災難性後果。早期短波紅外線（SWIR）檢測能讓晶圓廠在後續良率損失造成更大損失之前，及時剔除受損晶圓。

2.2 晶片貼裝和倒裝晶片空洞檢測

晶片貼裝空隙檢測是短波紅外線成像技術在半導體後端封裝領域最有價值的應用之一。當矽晶片通過黏合劑、焊膏或燒結銀貼裝到基板或引線框架上時，鍵合層中可能會形成空隙。這些空隙會降低導熱性、集中機械應力並滯留水分，導致裝置在熱循環作用下過早失效。

在倒裝晶片封裝中，晶片正面朝下透過焊球進行鍵合。晶片本身就像一個天然的短波紅外線（SWIR）窗口：相機透過矽晶片背面成像，從而檢測焊球和下方的填充層。 SWIR成像可以顯示晶片黏接材料中的空隙、晶片與基板界面處的分層、填充層空隙或填充不完整，以及開裂或塌陷的焊球——所有這些都無需接觸封裝。

這使得 SWIR 成為矽基封裝中 X 射線篩檢的引人注目且經濟高效的替代方案，並且比聲學顯微鏡 (C-SAM) 在生產線空隙篩檢方面速度快得多。

2.3 透過封裝材料進行積體電路封裝檢測

許多用於封裝半導體裝置的標準環氧樹脂封裝材料（EMC）在短波紅外線（SWIR）波段具有部分透明性。這使得短波紅外線相機能夠透過封裝材料成像，並檢測鍵合線、晶片位置和內部結構完整性——而無需進行任何開封操作。

透過封裝材料檢測鍵合線是一項突出的應用。焊線偏移（注塑過程中鍵合線的位移）和焊線下垂會導致短路或開路，而這些故障很難透過無損檢測發現。短波紅外線成像技術可以透過多種電磁相容材料檢測到焊線位置異常，從而實現對封裝裝置的100%無損檢測。

2.4 汽車應用功率元件檢測

用於電動車逆變器、工業驅動器和電力轉換的功率半導體元件——例如IGBT、MOSFET和二極體——的封裝具有極其嚴格的可靠性要求。晶片貼裝空洞率直接影響熱阻(Rth)，而熱阻決定了裝置的功率處理能力和在熱循環下的長期可靠性。

汽車製造商和一級供應商遵循AEC-Q101認證標準，該標準規定了最大允許空隙面積百分比。短波紅外線（SWIR）成像系統正日益整合到線上生產測試儀中，用於對汽車功率模組進行100%晶片貼裝空隙檢測——以更快的速度和無輻射的檢測方式替代或補充X射線檢測。

2.5 太陽能電池和光伏製造

矽太陽能電池與半導體晶片具有相同的短波紅外線（SWIR）透過率。在光伏製造中，SWIR檢測廣泛用於檢測電池切割、串串和組件層壓過程中引入的微裂紋，以及指狀柵和匯流條網絡中的金屬化缺陷。

現代太陽能生產線以極高的產能運行，並採用大尺寸電池（M10/G12，最大可達 210 毫米 × 210 毫米）。配備高解析度、高通量光學元件的短波紅外線掃描檢測系統對於實現維持吉瓦級生產效率所需的檢測靈敏度至關重要。

3. 為什麼短波紅外線鏡頭是最關鍵的光學元件

在任何短波紅外線成像系統中，感測器（InGaAs偵測器）往往最受關注。但鏡頭同樣至關重要——而且是配置不佳的系統中性能欠佳的常見原因。

標準可見光相機鏡頭不適用於短波紅外線（SWIR）檢測。它們的玻璃配方、元件結構和抗反射塗層均針對 400–700 nm 可見光波段進行了最佳化。在短波紅外線波段：

• 色差顯著增加－針對可見光波段進行校正的元件在短波紅外線波段的焦點會發生不可預測的偏移。
• 透射率下降－許多光學玻璃在波長高於1000奈米時吸收率很高。
• 抗反射塗層失效－針對可見光優化的塗層會反射大部分短波紅外線能量，從而降低對比度和光通量。

其結果是影像模糊、解析度降低、對比度差，以及整個視野範圍內焦點不一致——所有這些都會直接影響缺陷的偵測能力。在半導體檢測中，目標可能是一個 50 微米的空隙或一條細微的裂紋，這些缺陷是不可接受的。

專用的短波紅外線鏡頭透過特殊的玻璃選擇、光學設計和鍍膜技術解決了所有這些問題。

4. Wavelength Opto-ElectronicInfra® SWIR鏡頭：專為半導體偵測設計

Wavelength Opto-Electronic的 Infra® SWIR 鏡頭系列 專為要求嚴苛的工業和科學短波紅外線 (SWIR) 成像應用而設計，包括半導體檢測。其波長範圍涵蓋 0.9 µm 至 1.7 µm（核心 SWIR 波段）、0.9 µm 至 2.5 µm（擴展 SWIR 波段）以及 1.5 µm 至 5.0 µm（中波紅外線/擴展紅外線波段），可涵蓋所有相關的檢測波長。

4.1 寬廣的焦距範圍

Infra® 系列的焦距範圍從 14 毫米到 200 毫米，可實現從寬場晶圓級檢測到高倍率晶片和凸塊檢測的各種配置：

• 14 mm（Infra-SW141.1-15）— 用於在近距離工作條件下對大面積晶圓或基板進行寬場成像
• 25 毫米－用途廣泛的通用焦距，提供多種孔徑和偵測器配置。
• 50 毫米－標準偵測焦距，兼顧視野和分辨率
• 75 毫米－中長焦鏡頭選項，可增加在線輸送系統中的工作距離
• 100 毫米－遠攝鏡頭，用於在更遠距離進行詳細的晶片或封裝檢測
• 200毫米－長焦距，適用於特殊的高倍率或遙感偵測裝置

此範圍確保工程師能夠根據特定的檢測幾何形狀選擇合適的鏡頭——無論是從固定距離對整個 300 毫米晶圓進行成像，還是分辨細間距倒裝晶片封裝上的單個焊料凸點。

4.2 InGaAs偵測器相容性

Infra® SWIR 鏡頭與工業 SWIR 相機中最常用的 InGaAs 感光元件格式相符：

• 640 × 480，25 µm 像素間距－廣泛用於一般檢測的面掃描格式
• 640 × 512，15 µm 像素間距－更高的解析度可實現更精細的特徵檢測
• 1280 × 1024，10 µm 像素間距－高解析度格式，適用於精細特徵檢測（在部分型號中可用，例如 Infra-SW2003.0-21）
• 1024 × 768，17 µm 像素間距－適用於擴展短波紅外線波段的中等解析度格式
• 320 × 256，30 µm 像素間距－適用於空間受限或低成本配置的緊湊型格式

將鏡頭光學設計與偵測器像素間距相匹配至關重要：對於 10 µm 像素感測器而言，解析度不足的鏡頭會浪費感光元件的解析度能力；而對於 30 µm 像素感光元件而言，規格過高的鏡頭會增加不必要的成本和體積。 Wavelength Opto-Electronic的產品矩陣使用戶能夠輕鬆識別特定應用所需的正確鏡頭-感測器組合。

4.3 用於低照度短波紅外線成像的快速孔徑

在透射模式下對矽進行短波紅外線 (SWIR) 成像需要足夠的光子通量才能在偵測器處獲得良好的訊號雜訊比。 Infra® SWIR 鏡頭提供快速光圈，包括 F/1.1 (Infra-SW141.1-15) 和 F/1.4，可最大限度地收集光線並縮短曝光時間。這對於週期時間受限的線上偵測系統，或對較厚的矽基板進行成像（SWIR 衰減會降低透射強度）尤其重要。

4.4 安裝彈性

Infra® 鏡頭提供 C 型接口、M37×0.5 接口、卡口接口以及專有的 25.4-32TPI 螺紋接口，涵蓋了所有主流廠商工業級 InGaAs 相機所使用的標準接口。這簡化了系統集成，並確保了與各種相機平台的機械相容性。

4.5 定制能力

Wavelength Opto-Electronic 為超出標準產品範圍的應用提供客製化光學設計和系統客製化服務。這包括客製化焦距、修改後的後工作距離 (BWD)、非標準安裝方式、用於窄帶短波紅外線 (SWIR) 照明的專用增透膜，以及整合到更大的光學組件中。對於 OEM 檢測系統開發人員和晶圓廠設備整合商而言，這使其更具優勢。 Wavelength Opto-Electronic 為標準和特定應用的短波紅外線光學元件提供一站式解決方案。

5. 選擇合適的半導體檢測的 Infra® SWIR 鏡頭

選擇適用於半導體短波紅外線（SWIR）檢測應用的正確鏡頭需要考慮幾個關鍵參數：

1. 波長範圍。對於矽晶圓和晶片檢測（透射式），0.9–1.7 µm 波段最為理想－在此波段內，InGaAs 的靈敏度最高，矽的透射率也最高。對於擴展的短波紅外線 (SWIR) 或中波紅外線 (MWIR) 應用（例如某些封裝材料和特定化合物半導體），1.5–5.0 µm 的 Infra® 透鏡更為適用。

2. 焦距和工作距離。確定偵測裝置所需的視場角和可用工作距離。較短的焦距（14–25 毫米）適用於近距離、廣角應用；較長的焦距（75–200 毫米）適用於鏡頭必須放置在遠離樣品的位置——這在在線輸送系統中很常見，或者當檢測腔體存在物理限制時也適用。

3. 探測器格式。鏡頭成像圈和解析度規格應與 InGaAs 相機的感光元件尺寸和像素間距相符。如果將為 640×480/25 µm 感光元件設計的鏡頭用於 1280×1024/10 µm 感光元件，則會導致邊緣模糊和解析度利用率不足。

4. 光圈。更大的光圈值（F值越小）可以收集更多光線，這對於厚矽片、低照度環境或高幀速率拍攝非常有利。如果景深是首要考慮因素（例如，用於檢測翹曲的基板），則稍小的光圈可能更合適，因為它可以提供更大的焦距範圍。

5. 安裝相容性。驗證 C 型介面或卡口與目標 InGaAs 相機的相容性。對於定製或 OEM 產品， Wavelength Opto-Electronic 可相容於非標準安裝介面。

6. 將 Infra® SWIR 鏡頭整合到您的偵測系統中

Wavelength Opto-Electronic 他們不僅提供鏡頭，還支援完整的檢測系統整合流程。他們的產品組合包括與 Infra® SWIR 鏡頭配合使用的完整檢測系統配套組件：

• 面掃描和線掃描相機－相容於短波紅外線（SWIR）技術的相機平台，可用於面掃描和高速線掃描檢測。
• 機器視覺照明－適用於透射式和反射式偵測裝置的短波紅外線相容照明光源
• 帶通濾波器－一種窄帶光學濾波器，可透過選擇與照明光源相符的特定短波紅外線（SWIR）波長來提高對比度。
• 遠心鏡頭－適用於需要精確測量空隙面積或裂縫尺寸且無視差畸變的應用。
• 光學設計與系統客製化服務－針對建構客製化檢測平台的整合商

這種生態系統方法意味著，指定新的 SWIR 半導體檢測站的工程師可以從單一供應商購買光學匹配、應用驗證的組件，而不是從多個供應商組裝兼容性不確定的組件。

7. 短波紅外線半導體檢測：選擇技術夥伴

對於評估短波紅外線（SWIR）檢測的半導體工程師和設備採購人員而言，鏡頭的選擇並非簡單的通用決策。錯誤的鏡頭——無論是重新利用的可見光波段鏡頭，還是波長覆蓋範圍不匹配或分辨率不足的紅外線鏡頭——都會限制整個檢測系統的靈敏度，無論InGaAs相機的性能多麼強大。

Wavelength Opto-Electronic Infra® SWIR 鏡頭系列的設計充分考慮了工業半導體檢測的嚴格要求：寬波長覆蓋範圍、與標準 InGaAs 探測器格式匹配的完整焦距範圍、用於矽透射成像的快速孔徑，以及為要求苛刻的 OEM 應用定制設計的能力。

隨著半導體封裝技術的不斷進步——例如更薄的矽片、更小的凸點間距、更複雜的晶片貼裝結構以及更高的汽車可靠性要求——對高性能、專用短波紅外線（SWIR）光學元件的需求只會不斷增長。與一家既了解成像物理原理又了解SWIR半導體檢測製造限制的光學元件供應商合作，是建立能夠隨著技術發展而擴展的檢測能力的正確基礎。

8. 結論

短波紅外線（SWIR）半導體檢測利用矽對短波紅外光的天然透明性，揭示其他所有無損檢測方法都無法發現的表面下缺陷，例如裂縫、空隙、分層和鍵合線異常。它具有快速、無輻射、相容於線上生產環境等優點，是晶圓檢測、晶片貼裝品質控制、倒裝晶片空隙檢測和汽車功率裝置認證的首選檢測技術。

任何短波紅外線檢測系統的性能都取決於其光學元件的性能。 Wavelength Opto-Electronic的 Infra® SWIR 鏡頭 此系列產品為半導體工程師和系統整合商提供了一套全面的專用鏡頭產品組合——涵蓋 0.9 µm 至 5.0 µm 的波長範圍、14 mm 至 200 mm 的焦距範圍以及 320×256 至 1280×1024 的偵測器尺寸範圍以及 320×256 至 1280×1024 的偵測器尺寸範圍以及 320×256 至 1280×1024 的偵測器尺寸範圍以及 320×256 至 1280×1024 的偵測器尺寸範圍、並以完整的整合式設計能力為 SWIR 設計能力。