微電子器件如今所達(dá)到的令人驚嘆的小型化程度，歸因于兩大因素：

首先，構(gòu)成集成電路芯片的晶體管和其他組件日益變小，這一趨勢(shì)通常被稱為“摩爾定律”。

其次，業(yè)界正在采用新型技術(shù)將多顆獨(dú)立芯片以越來(lái)越高的密度封裝在一起。為實(shí)現(xiàn)此目的，當(dāng)前用到多種封裝方案，比如系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)、3D 封裝、2.5D 封裝、扇出型晶圓級(jí)封裝 (FOWLP)、倒裝芯片封裝、多芯片模組 (MCM) 等等，這些統(tǒng)稱為“先進(jìn)封裝”技術(shù)。先進(jìn)封裝技術(shù)使我們能夠制造出小巧且功能強(qiáng)大的產(chǎn)品，如智能手機(jī)。

與傳統(tǒng)的“后端”（集成電路封裝）技術(shù)相比，先進(jìn)封裝制程更復(fù)雜且難度更高。原因之一是，先進(jìn)封裝通常涉及更高密度和更小節(jié)距（間距）的互連以及更復(fù)雜的部件結(jié)構(gòu)。這意味著需要在整個(gè)后端生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)較小尺度的部件保持更嚴(yán)格的機(jī)械公差。

半導(dǎo)體制造通常分為前端和后端制程。前端又進(jìn)一步細(xì)分為“前道工序”和“后道工序”。這展示了前端和后端加工的主要步驟，并強(qiáng)調(diào)了后端生產(chǎn)中眾多新型先進(jìn)封裝方法之一的額外復(fù)雜性。

另一個(gè)問(wèn)題是對(duì)熱管理的需求增加。更強(qiáng)的計(jì)算能力帶來(lái)更高的熱設(shè)計(jì)功耗。這意味著先進(jìn)封裝需要引入具有高機(jī)械強(qiáng)度的高導(dǎo)熱材料。為防止因多顆芯片重量造成縱向彎曲，采用高機(jī)械強(qiáng)度材料是必需的。

激光為材料加工提供了兼具精度、多功能性和效率的組合特性。特別是對(duì)于后端任務(wù)，先進(jìn)的組裝方法依賴于極小的特征尺寸，激光工藝憑借其非接觸式加工能力和極小的熱影響區(qū)成為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)至關(guān)重要的手段。此外，激光幾乎與任何材料兼容，甚至能夠處理一些在激光波長(zhǎng)下近乎透明的物質(zhì)。

這意味著隨著封裝體進(jìn)一步縮小尺寸且越來(lái)越復(fù)雜，半導(dǎo)體制造商能夠越來(lái)越多的受益于激光工藝。下面，我們將回顧半導(dǎo)體后端制造中激光工藝當(dāng)前和發(fā)展趨勢(shì)的幾個(gè)示例。

1 切割和鉆孔  

在傳統(tǒng)后端和先進(jìn)封裝生產(chǎn)中，切割和鉆孔得到了廣泛應(yīng)用。其中一些任務(wù)包括：

鉆孔：在印刷電路板 (PCB) 和其他基板上制作通孔或盲孔。

切割：將成品晶圓切割分離出多顆獨(dú)立芯片。

分板：將單個(gè)電路板或組件從較大的面板或板材上分離出來(lái)。

解鍵合：在臨時(shí)鍵合工藝后分離組件，比如晶圓或芯片在減薄、加工或處理過(guò)程中為了保持穩(wěn)定性需要附著在載板上。

幾十年來(lái)，F(xiàn)R-4（及其含有玻璃纖維的版本）和其他有機(jī)物一直是PCB的標(biāo)準(zhǔn)基材。傳統(tǒng)上，這些材料使用機(jī)械鉆孔制作通孔。但這種方法無(wú)法制作直徑小于150微米的孔。

使用CO2激光方案可以實(shí)現(xiàn)直徑低至30微米的通孔高速鉆孔。因此，業(yè)內(nèi)越來(lái)越多地采用此方案實(shí)現(xiàn)先進(jìn)封裝所需的微型化尺度，來(lái)支持智能手機(jī)、5G收發(fā)器和可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品。CO2激光可以高效處理目前使用的大多數(shù)基材，包括FR4、PTFE、玻璃編織復(fù)合材料和陶瓷。

Coherent 高意最近的一項(xiàng)重要技術(shù)突破是用于CO2激光器的電光開(kāi)關(guān)。相比傳統(tǒng)用于CO2 激光鉆孔系統(tǒng)的聲光調(diào)制器（AOM），電光開(kāi)關(guān)調(diào)制器可以處理更高的激光功率。使用更高功率的激光器可以多次分光。這意味著可以同時(shí)鉆出更多的孔，從而提高系統(tǒng)吞吐量并降低成本。

Coherent 高意還為通孔鉆孔窗口鏡開(kāi)發(fā)了一種專有的防飛濺和防碎屑涂層。這種多層涂層可以應(yīng)用于許多不同的基材。該涂層是專為頻繁清潔而設(shè)計(jì)的，能夠抵御鉆孔、切割或打標(biāo)等應(yīng)用中產(chǎn)生的金屬和其他碎屑飛濺。涂層的耐用性也有助于延長(zhǎng)窗戶鏡的使用壽命。

該涂層采用了公司專有的金剛石涂層 (DOC) 涂層技術(shù)。碎屑窗口保持高透射率和低反射率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好光學(xué)性能，同時(shí)兼具耐用性的額外優(yōu)勢(shì)。

先進(jìn)封裝工藝將基材的范圍擴(kuò)展到FR-4之外，包括硅、玻璃、陶瓷、Ajinomoto積層膜（ABF） 等。對(duì)于ABF等某些材料，二氧化碳激光鉆孔仍然是最佳選擇。但對(duì)于玻璃等材料，以及小得多的通孔尺寸，比如低至10 µm或更小，其他類型激光器可能更合適。

納秒脈沖固態(tài)激光器，比如我們的AVIA LX和AVIA NX，可用于制作這些較小尺寸的通孔。對(duì)于最苛刻的任務(wù)，我們的超短脈沖（USP）激光器可以在不損壞周圍熱敏電路的情況下創(chuàng)建極小的孔或其他特征。此外，USP激光器（尤其是紫外(UV)激光器）幾乎與任何材料兼容，包括金屬、半導(dǎo)體、復(fù)合材料、陶瓷和有機(jī)物。

上述納秒激光器和USP激光器也可用于其他材料加工任務(wù)，比如晶圓劃線和切割以及PCB分板，其工藝具備多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，包括機(jī)械精度高、切口寬度最小、熱影響區(qū)小、極少或無(wú)碎屑產(chǎn)生，以及與多種不同基材的良好兼容性。它們還兼容下一代先進(jìn)封裝工藝所采用的基板材料（如尚未商業(yè)化部署的玻璃基封裝）。

除了激光器，Coherent 高意還提供用于制作后端工藝設(shè)備的創(chuàng)新材料。例如，金屬基復(fù)合材料結(jié)合了鋼的強(qiáng)度和鋁的輕度，為高性能、快速運(yùn)行的機(jī)器人系統(tǒng)提供了必要的剛度和熱導(dǎo)率。隨著行業(yè)朝著更快的生產(chǎn)周期發(fā)展，確保設(shè)備能夠以更高速度運(yùn)行而不犧牲精度變得尤為重要。這些都是為了滿足消費(fèi)者對(duì)智能手機(jī)和電腦等電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求。

半導(dǎo)體后道工序中的晶圓傳送組件

2 打標(biāo)  

圖片

后端制程中涉及的打標(biāo)任務(wù)種類繁多，無(wú)法在此詳盡介紹。以下羅列了后端一些最常見(jiàn)的打標(biāo)應(yīng)用：

封裝器件

最常用的封裝復(fù)合膜可以很好地吸收近紅外（IR）光，而后從黑色變?yōu)榛疑�。這能夠?qū)崿F(xiàn)深度為30 µm至50 µm的高對(duì)比度打標(biāo)。這種類型的打標(biāo)通常使用光纖或二極管泵浦固態(tài)(DPSS)激光器。雙頭配置有助于提高打標(biāo)效率。

薄型封裝

某些小尺寸器件，使用復(fù)合薄膜蓋來(lái)保護(hù)采用引線鍵合的硅基裸芯片，這需要10 µm或更小的打標(biāo)深度。環(huán)氧樹(shù)脂基體對(duì)綠光的吸收率高于IR，從而會(huì)產(chǎn)生更淺的標(biāo)記滿足深度要求。綠光激光器（通常是倍頻后的光纖或DPSS激光器）將用于這些任務(wù)。我們的PowerLine E Twin采用兩個(gè)DPSS激光源，綜合利用固態(tài)激光的優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)高吞吐量。

陶瓷

由于其出色的熱、機(jī)械和電性能，陶瓷在封裝功率半導(dǎo)體、高亮度LED、射頻器件、MEMS、混合電路等方面得到了廣泛應(yīng)用。但是陶瓷打標(biāo)的工藝窗口相對(duì)較窄。這使得精確聚焦和高脈沖能量對(duì)于確�？煽康拇驑�(biāo)結(jié)果至關(guān)重要�；�于Nd:YVO4的DPSS 激光器提供高脈沖能量，可用于打標(biāo)陶瓷蓋和基板。我們的PowerLine F 20-1064, 提供高達(dá)350 ns的可調(diào)脈沖寬度，專為改善此類打標(biāo)應(yīng)用的工藝窗口而設(shè)計(jì)。

PCB

PCB 在生產(chǎn)過(guò)程中通常使用可追溯的數(shù)據(jù)矩陣碼進(jìn)行標(biāo)記，有機(jī)基板頂部的薄綠色阻焊層需要攜帶標(biāo)記，而不暴露下面的銅。數(shù)據(jù)矩陣碼可能非常小（單元尺寸小于125 µm），因此需要聚焦的激光光斑尺寸小于100 µm。綠光DPSS方案已成為這類應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而PowerLine E 20-355等基于紫外激光的產(chǎn)品因其更精細(xì)的分辨率和更低的熱影響被用于高端基材的打標(biāo)。

金屬蓋和引線框架

Coherent PowerLine F 系列屬于典型的近紅外光纖激光打標(biāo)方案，廣泛應(yīng)用于微處理器和其他高功率IC的金屬蓋打標(biāo)。金屬引線框架通常鍍錫、銀或金，可以在電鍍之前或之后進(jìn)行打標(biāo)。引線框架用于成本敏感型器件，必須最大限度地減少資本投資，因此通常采用更經(jīng)濟(jì)的光纖激光打標(biāo)方案。

3 熱壓鍵合  

“倒裝芯片”是應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)封裝技術(shù)之一。倒裝芯片工藝的一個(gè)關(guān)鍵步驟是將裸芯片焊接到基板上。具體來(lái)說(shuō)涉及以下步驟，熔化金屬焊料凸點(diǎn)（之前已沉積在芯片的導(dǎo)電焊盤(pán)上），同時(shí)將芯片與基板（通常是PCB）壓在一起。

隨著集成電路和基板變得越來(lái)越薄，并且焊料凸點(diǎn)尺寸和彼此之間的間距（稱為“節(jié)距”）縮小到100 µm以下，這一過(guò)程變得更具挑戰(zhàn)性。熱壓鍵合 (TCB) 已成為倒裝芯片應(yīng)用中替代傳統(tǒng)回流焊的方案。對(duì)非常薄的高密度封裝基板，TCB可以提供更可靠的鍵合效果和更高的單元間一致性。

TCB 設(shè)備利用一塊平板（稱為“噴嘴”），在鍵合過(guò)程中向下壓在芯片/基板組件上。這塊板必須在整個(gè)鍵合過(guò)程中保持剛性、光滑和平整。這對(duì)于保持芯片本身的平整度是必要的，以確保不會(huì)出現(xiàn)焊料空洞。

該噴嘴還必須有氣流孔，以便其可以作為真空吸盤(pán)工作。此外，它必須具有導(dǎo)熱性，以便TCB系統(tǒng)中的加熱和冷卻元件能夠在工藝中控制芯片溫度。

因此，理想的噴嘴材料必須是機(jī)械剛性的，并且能夠制作成非常光滑和平整的零件。它還必須具有高導(dǎo)熱性。

Coherent 高意提供三種可以滿足上述要求的材料 — 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅 (SiC)、單晶 SiC 和多晶金剛石。對(duì)特定的TCB工藝類型，每種材料都有其獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)。

此外，Coherent 高意是一家垂直整合的 TCB 噴嘴制造商。我們的工廠可以生長(zhǎng)每種材料，并能將其加工為成品零件。此外，我們的計(jì)量能力能夠確保噴嘴平整度這一關(guān)鍵指標(biāo)。

4 助力精度和性能  

隨著半導(dǎo)體封裝體不斷縮小其尺寸且變得更加復(fù)雜，先進(jìn)激光和材料技術(shù)的作用變得越來(lái)越重要。Coherent 高意致力于提供尖端解決方案，賦能半導(dǎo)體制造的未來(lái)。

文章來(lái)源：Coherent 高意

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