發布日期：2022-10-09 點擊率：60
消費者對微電子產品的要求非常嚴苛——更緊湊、節能、功能更強大，這些歸根結底都要求電路封裝技術采用更小的特征尺寸。隨著電路尺寸的縮小，用于先進電路封裝中各種微結構工序的傳統方法(如光刻)的表現越來越不盡如人意，成本也隨之增加，所以在許多情況下，準分子激光燒蝕能提供一種極具吸引力的替代方案。本文介紹了準分子激光燒蝕在玻璃內插板鉆孔方面的應用，以及SüSSMicroTec公司（美國加利福尼亞州科洛納市）的交鑰匙系統平臺是如何將準分子激光器成功應用在其他的先進封裝應用中的。
2.5D和3D封裝
我們所說的“3D封裝”是一種重要的新興技術，能實現更高密度的微電子封裝。在3D封裝中，將多個單獨的集成電路(ICs)像三明治一樣堆疊。互連基板在芯片之間起到互連和再布線電路的作用。這種基板被稱為內插板，可以由硅或玻璃組成。目前，在實際的微電子生產中利用的是2.5D封裝。這是一個中間步驟，它將一個電路芯片堆疊在內插板上。
其中一個關鍵的工藝就是微鉆孔(通孔)，用來實現電路元件之間實現電氣連接。通孔直徑目前是25μm范圍。這些通孔可以采用幾種技術來制造，包括光刻、蝕刻、噴砂、超聲波鉆孔或激光燒蝕。
激光燒蝕比其他方法更具優勢，因為它是非接觸式的，且更靈活，還能應用于較廣范圍的材料，具有尺寸小、精度高的特點。此外，激光微結構化制造通常能帶來更高的生產效率和更好的效果，并能保持出色的工藝一致性。再加上它從本質上來說是一種更為環保的過程，能避免使用有潛在危險的光刻技術用化學品。
基于這些優勢，CO2激光器被廣泛用于微電子封裝應用的通孔鉆孔工序中已經有一段時間了。然而，CO2激光器具有的長紅外波長限制了其最低的聚焦光斑尺寸(由于衍射的影響)。其結果是CO2激光鉆孔直徑的實際下限約為70μm。因此，若想實現更小的直徑，則需要較短的波長(例如紫外線)。
為了探尋準分子激光器在這項應用上的潛力，相干（Coherent）應用實驗室在一項測試中，在玻璃薄片上鉆了許多緊密排列的孔。具體來說，這些都是25μm直徑的孔，節距（孔之間的距離）為50μm，玻璃基板的厚度從100到300μm不等。他們使用的是193nm的激光波長，脈沖能量為600mJ，在工件表面產生的能量密度為7J/cm2。選擇193nm波長是因為玻璃對這個波長具有很強的吸收能力。
在所有厚度的情況下，只需700脈沖或更少，就能成功制造出干凈、圓且對稱的通孔。在厚度較大的情況下，孔會出現錐度，但通過從玻璃的兩面連續鉆孔會大大改善這種情況。這是相對容易實現的，因為透明的玻璃使其很容易定位玻璃一側的基準標記，便于它翻轉后從另一側鉆孔。總之，該測試證明了可以成功制造出直徑低至5μm的通孔(圖1)。
圖1：準分子激光器(193nm)在玻璃上鉆通孔：25μm直徑的孔入口(a)、孔出口(b)和剖面圖(c)。
準分子激光內插板鉆孔還具有另一個吸引人的特點——它使用了光罩投射技術(maskprojection)。在此方法中，激光能量密度、脈沖頻率和總脈沖數決定了能應用的最大區域尺寸，但并不是指在這一區域內能的鉆總孔數。因此，隨著節距的減小(給定區域內的鉆孔數量會隨之增加)，平行的光罩式鉆孔變得越來越高效。事實上，平行鉆孔速度的增加與節距的平方成正比。顯然，未來通孔直徑和節距會隨著時間的推移而不斷減小，而這項技術將能一直發揮作用，意味著它將“永不過時”。
再布線層的聚合物構造
幾乎所有類型的先進封裝，例如倒裝芯片、晶圓級芯片規模封裝（waferlevelchipscalepackages，WLCSP）、散出型晶圓級封裝(FanoutWaferLevelPackage,FOWLP)和2.5D/3D封裝，它們都需要再布線層(RDL)，即需要在晶圓表面加上金屬和介電層，從而重新布局輸入/輸出線路，以匹配基板上預期的節距。
目前，業內主要是使用“光界定”電介質來制造RDL。他們用感光材料在所需的電路圖形上進行光刻曝光，然后進行濕法顯影，以去除曝光或未曝光的區域。
可是，光界定聚合物價格昂貴，而且光刻過程包括多個花費較高的濕化學步驟。此外由于固有的光敏助劑，這些材料并不總是有著理想的電氣性能和機械性能。例如，熱膨脹系數(CTE)可能與它們鍵合的材料不匹配，從而會造成機械應力。因此，光界定電介質的使用可能會導致翹曲變形和應力問題，致使芯片/封裝接口的失效。隨著RDL尺寸的減小和密度的增加，所有這些問題都變得更加重要。
為了應對光界定電介質的缺點和高成本及其相關的加工問題，一個解決方案是使用合適的非感光型介電材料，并使用準分子激光器。采用非感光型介電材料是很有吸引力的解決方案，因為許多配方的成本只有光界定版本的一半。此外，許多非感光型介電材料會產生更少的應力，具有較低的熱膨脹系數，并極大地改善了機械性能和電氣性能。準分子激光燒蝕對于非感光型介電材料和先進復合材料來說是一種符合成本效益的圖形形成方法，如二氧化硅填充的環氧模塑封裝材料。它涉及的步驟比光界定電介材料要少，并且不需要濕式化學品，因而整體的過程更為環保(圖2)。
圖2：準分子激光燒蝕在聚酰亞胺上制造出干凈、小的圖形。
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