三種截然不同的基于激光的工藝，用于各種充滿活力的應(yīng)用領(lǐng)域

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，人們對平板電腦、手機(jī)、手表和其他可穿戴設(shè)備的需求趨向功能復(fù)雜但結(jié)構(gòu)緊湊，因此半導(dǎo)體芯片和封裝后器件的尺寸不斷縮小對微電子技術(shù)發(fā)展的重要性不亞于摩爾定律的重要意義。先進(jìn)封裝技術(shù)趨勢為激光器發(fā)展創(chuàng)造了大量機(jī)會，因?yàn)樗麄兡芰Ψ欠?，能夠在最小熱影響區(qū)（HAZ）執(zhí)行各種材料的高精度加工任務(wù)。

因此，激光器在晶圓切割、封裝切割（singulation）、光學(xué)剝離，μ-via鉆孔、重分布層（RDL）結(jié)構(gòu)化、切割帶切割（EMI屏蔽）、焊接、退火和鍵合等方面使用越來越廣泛，在此僅舉幾例。本文詳細(xì)闡述了三種截然不同的基于激光的工藝，用于各種充滿活力的應(yīng)用領(lǐng)域。

納秒和皮秒激光器用于系統(tǒng)級封裝（SiP）切割

SiP技術(shù)可幫助高端可穿戴設(shè)備或便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)體積微型化、功能高度集中。SiP器件由各種電路組件組成，例如處理器、存儲器、通信芯片和傳感器等，組裝在嵌入式銅線的PCB基板上。所有器件的組裝通常被封裝在模塑復(fù)合材料里，并添加具有電磁屏蔽功能的外部導(dǎo)電涂層。SiP器件厚度約1mm，其中模塑復(fù)合材料厚度約占一半。

在制造過程中，一開始多個(gè)SiP器件制作在一塊大面板上，最后再被分割成單個(gè)器件。此外，某些情況下，在器件中，溝槽會直接深入到模塑復(fù)合材料，直到連接到銅接地層。該工藝在導(dǎo)電屏蔽層覆蓋器件之前完成，導(dǎo)電屏蔽層主要用于完全覆蓋SiP區(qū)域，使得與其他高頻元器件隔離。對于切割和開槽，切口位置和深度都必須精確，不能有炭化，更不能有碎屑。此外，諸如熱損傷、分層或微裂紋等切割過程中產(chǎn)生的問題，都會對電路造成不可挽回的后果。目前，具有納秒脈沖寬度的20-40W紫外固態(tài)激光器（例如Coherent AVIA）是SiP切割的主要工具。然而，對于納秒源，需要平衡輸出功率和切割質(zhì)量（特別是邊緣質(zhì)量和碎片形成）。因此，僅通過施加更多激光功率是不能輕易提高處理速度的。因此，如果對切割質(zhì)量要求極高，可以選擇532 nm（綠色）超短脈沖（ultra-short pulse，簡稱USP）激光器替代，例如Coherent HyperRapid NX皮秒激光器或Monaco飛秒激光器。與納秒激光器相比，它們的切口更小，可以減少HAZ和碎片量，在某些情況下甚至可以提高產(chǎn)量。但是，USP源唯一的缺點(diǎn)就是它們的投入成本較高。

圖1：用皮秒（上圖）與納秒（下圖）切割的1.2mm厚SiP材料的橫截面示意圖

準(zhǔn)分子激光器用于RDL

RDL是實(shí)現(xiàn)微電子領(lǐng)域中幾乎所有先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)，包括倒裝芯片、晶圓級芯片封裝、扇出型晶圓級封裝、嵌入式IC和2.5D / 3D封裝等。RDL是通過圖案化金屬和介電層對電路進(jìn)行布線，可以使每顆硅基芯片連接到其他芯片。以這種方式，RDL就可重新規(guī)劃管芯的輸入/輸出路線。目前，大多RDL是用“光刻定義”電介質(zhì)構(gòu)造的，其中所需的電路圖案先通過光刻印刷，然后再用濕法刻蝕去除曝光或未曝光區(qū)域來獲得的。但是光刻定義聚合物有幾個(gè)缺點(diǎn)，比如成本高、加工復(fù)雜以及熱膨脹系數(shù)（CTE）與鍵合材料不匹配等。此外，由于光刻膠殘留引起的電路故障，會存良好管芯失效的風(fēng)險(xiǎn)。

如今，有一種新的解決方案誕生，它可通過使用合適的非光電介質(zhì)材料，采用308nm準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行直接燒蝕構(gòu)圖。這些非光電介質(zhì)的成本遠(yuǎn)低于光刻定義的材料，而且其產(chǎn)生的應(yīng)力更小，CTE匹配更好，機(jī)械和電氣性能更佳。在這里，激光通過包含所需圖案的光刻版投射，然后燒灼襯底（比投影圖案大），移動(dòng)，再燒蝕，直到所有區(qū)域都被圖案化。準(zhǔn)分子激光燒蝕是一種經(jīng)濟(jì)的高通量圖案化方法，因?yàn)樗裙饪潭x的電介質(zhì)圖案化方法步驟少，無需使用濕法化學(xué)品，堪稱“綠色”工藝。基于準(zhǔn)分子激光的RDL結(jié)構(gòu)工具已經(jīng)在基于Coherent LAMBDA SX系列激光器的基礎(chǔ)上投入使用。這些準(zhǔn)分子激光器的高脈沖能量（> 1 J）和重復(fù)頻率（300 Hz）可為低至2μm的特征尺寸提供快速產(chǎn)出量。此外，準(zhǔn)分子激光燒蝕的優(yōu)勢還表現(xiàn)在對特征深度和“側(cè)壁角”的出色控制上。而后者尤為重要，由于大角度圖形兩側(cè)的“陰影”會對隨后的金屬濺射或氣相沉積過程產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖2：準(zhǔn)分子激光燒蝕在聚酰亞胺中制作出無缺陷的微型圖形（圖片來源：SUSS Microtec）

CO2和CO激光器用于LTCC切割和打孔

如今眾多封裝應(yīng)用都涉及低溫共燒陶瓷（LTCC），它作為電力或通信器件的微電子基板越來越受歡迎。LTCC被加工成綠色（未燒制）的陶瓷，通常在50μm至250μm范圍內(nèi)，厚度約為40μm至60μm的氯化聚乙烯（PET）磁帶層上制造。在LTCC電路制造中，激光器主要用于劃片（切割）和鉆通孔兩種工藝過程。追溯歷史，CO2激光器一直都用于LTCC切割。先用激光產(chǎn)生一排緊密間隔的孔，這些孔穿透到襯底中層（如劃片槽），然后再使用機(jī)械力沿著該劃片槽將材料折斷。如今，CO激光器作為CO2激光器的替代品，吸引了越來越多的關(guān)注。幾年前由Coherent引入市場的工業(yè)CO激光器與CO2技術(shù)類似，不同之處在于CO激光器的輸出波長約為5μm。

該較短波長在LTCC中的吸收明顯低于10.6 μm的CO2波長。這使得激光能夠進(jìn)一步滲透到基板中，劃片深度更深，這樣可使材料更容易斷裂（見圖3）。而且，較低的吸收也會產(chǎn)生較小的HAZ。一直以來，LTCC鉆通孔也依賴于CO2激光器。但是對于這個(gè)技術(shù)，綠色波長USP激光器可能會成為CO2的首選替代品。這是因?yàn)閁SP激光器可完美平衡質(zhì)量和產(chǎn)出率之間的矛盾。具體而言，一臺50W綠色USP激光器可以在0.60mm陶瓷中以超過每秒2000個(gè)孔的速率生產(chǎn)30μm的通孔。

但是，另一方面，CO激光器同樣也可以替代USP激光器。CO激光器已被證明可以在0.65mm厚的燒制陶瓷中以高于1000個(gè)孔/秒的速率產(chǎn)生大于40μm的通孔。因此，根據(jù)陶瓷的厚度和所需的直徑，USP和CO激光器都是LTCC鉆通孔的最佳選擇。

圖3：0.6mm厚切割LTCC橫截面。比較顯示，CO激光器的切割由于其在陶瓷中的吸收較低，能夠進(jìn)一步穿透并產(chǎn)生更高縱橫比的通孔。在入口處和直徑較大的孔處，CO2工藝也顯示出更多的炭化。

基本優(yōu)勢相似總之，雖然目前半導(dǎo)體封裝使用多種激光技術(shù)，但它們都具有相似的基本優(yōu)勢。具體而言，這些包含產(chǎn)生高精度特征的非接觸式加工，通常對周圍材料的影響很小，而且產(chǎn)量較高。此外，激光加工是“綠色”的，因?yàn)樗鼰o需使用危險(xiǎn)或難以處理的化學(xué)物質(zhì)。