先进激光和材料技术赋能先进封装

微电子器件如今所达到的令人惊叹的小型化程度，归因于两大因素：

首先，构成集成电路芯片的晶体管和其他组件日益变小，这一趋势通常被称为“摩尔定律”。

其次，业界正在采用新型技术将多颗独立芯片以越来越高的密度封装在一起。为实现此目的，当前用到多种封装方案，比如系统级封装 (SiP)、3D 封装、2.5D 封装、扇出型晶圆级封装 (FOWLP)、倒装芯片封装、多芯片模组 (MCM) 等等，这些统称为“先进封装”技术。先进封装技术使我们能够制造出小巧且功能强大的产品，如智能手机。

与传统的“后端”（集成电路封装）技术相比，先进封装制程更复杂且难度更高。原因之一是，先进封装通常涉及更高密度和更小节距（间距）的互连以及更复杂的部件结构。这意味着需要在整个后端生产过程中对较小尺度的部件保持更严格的机械公差。

半导体制造通常分为前端和后端制程。前端又进一步细分为“前道工序”和“后道工序”。这展示了前端和后端加工的主要步骤，并强调了后端生产中众多新型先进封装方法之一的额外复杂性。

另一个问题是对热管理的需求增加。更强的计算能力带来更高的热设计功耗。这意味着先进封装需要引入具有高机械强度的高导热材料。为防止因多颗芯片重量造成纵向弯曲，采用高机械强度材料是必需的。

激光为材料加工提供了兼具精度、多功能性和效率的组合特性。特别是对于后端任务，先进的组装方法依赖于极小的特征尺寸，激光工艺凭借其非接触式加工能力和极小的热影响区成为实现此目标至关重要的手段。此外，激光几乎与任何材料兼容，甚至能够处理一些在激光波长下近乎透明的物质。

这意味着随着封装体进一步缩小尺寸且越来越复杂，半导体制造商能够越来越多的受益于激光工艺。下面，我们将回顾半导体后端制造中激光工艺当前和发展趋势的几个示例。

1   切割和钻孔 

在传统后端和先进封装生产中，切割和钻孔得到了广泛应用。其中一些任务包括：

钻孔：在印刷电路板 (PCB) 和其他基板上制作通孔或盲孔。

切割：将成品晶圆切割分离出多颗独立芯片。

分板：将单个电路板或组件从较大的面板或板材上分离出来。

解键合：在临时键合工艺后分离组件，比如晶圆或芯片在减薄、加工或处理过程中为了保持稳定性需要附着在载板上。

几十年来，FR-4（及其含有玻璃纤维的版本）和其他有机物一直是PCB的标准基材。传统上，这些材料使用机械钻孔制作通孔。但这种方法无法制作直径小于150微米的孔。

使用CO₂激光方案可以实现直径低至30微米的通孔高速钻孔。因此，业内越来越多地采用此方案实现先进封装所需的微型化尺度，来支持智能手机、5G收发器和可穿戴设备等产品。CO₂激光可以高效处理目前使用的大多数基材，包括FR4、PTFE、玻璃编织复合材料和陶瓷。

COHERENT 高意最近的一项重要技术突破是用于CO₂激光器的电光开关。相比传统用于CO₂ 激光钻孔系统的声光调制器（AOM），电光开关调制器可以处理更高的激光功率。使用更高功率的激光器可以多次分光。这意味着可以同时钻出更多的孔，从而提高系统吞吐量并降低成本。

Coherent 高意还为通孔钻孔窗口镜开发了一种专有的防飞溅和防碎屑涂层。这种多层涂层可以应用于许多不同的基材。该涂层是专为频繁清洁而设计的，能够抵御钻孔、切割或打标等应用中产生的金属和其他碎屑飞溅。涂层的耐用性也有助于延长窗户镜的使用寿命。

该涂层采用了公司专有的金刚石涂层 (DOC) 涂层技术。碎屑窗口保持高透射率和低反射率，以实现系统的良好光学性能，同时兼具耐用性的额外优势。

先进封装工艺将基材的范围扩展到FR-4之外，包括硅、玻璃、陶瓷、Ajinomoto积层膜（ABF） 等。对于ABF等某些材料，二氧化碳激光钻孔仍然是最佳选择。但对于玻璃等材料，以及小得多的通孔尺寸，比如低至10 µm或更小，其他类型激光器可能更合适。

纳秒脉冲固态激光器，比如我们的AVIA LX和AVIA NX，可用于制作这些较小尺寸的通孔。对于最苛刻的任务，我们的超短脉冲（USP）激光器可以在不损坏周围热敏电路的情况下创建极小的孔或其他特征。此外，USP激光器（尤其是紫外(UV)激光器）几乎与任何材料兼容，包括金属、半导体、复合材料、陶瓷和有机物。

上述纳秒激光器和USP激光器也可用于其他材料加工任务，比如晶圆划线和切割以及PCB分板，其工艺具备多项优点，包括机械精度高、切口宽度最小、热影响区小、极少或无碎屑产生，以及与多种不同基材的良好兼容性。它们还兼容下一代先进封装工艺所采用的基板材料（如尚未商业化部署的玻璃基封装）。

除了激光器，Coherent 高意还提供用于制作后端工艺设备的创新材料。例如，金属基复合材料结合了钢的强度和铝的轻度，为高性能、快速运行的机器人系统提供了必要的刚度和热导率。随着行业朝着更快的生产周期发展，确保设备能够以更高速度运行而不牺牲精度变得尤为重要。这些都是为了满足消费者对智能手机和电脑等电子设备日益增长的需求。

2   打标

后端制程中涉及的打标任务种类繁多，无法在此详尽介绍。以下罗列了后端一些最常见的打标应用：

封装器件

最常用的封装复合膜可以很好地吸收近红外（IR）光，而后从黑色变为灰色。这能够实现深度为30 µm至50 µm的高对比度打标。这种类型的打标通常使用光纤或二极管泵浦固态(DPSS)激光器。双头配置有助于提高打标效率。

薄型封装

某些小尺寸器件，使用复合薄膜盖来保护采用引线键合的硅基裸芯片，这需要10 µm或更小的打标深度。环氧树脂基体对绿光的吸收率高于IR，从而会产生更浅的标记满足深度要求。绿光激光器（通常是倍频后的光纤或DPSS激光器）将用于这些任务。我们的PowerLine E Twin采用两个DPSS激光源，综合利用固态激光的优势并实现高吞吐量。

陶瓷

由于其出色的热、机械和电性能，陶瓷在封装功率半导体、高亮度LED、射频器件、MEMS、混合电路等方面得到了广泛应用。但是陶瓷打标的工艺窗口相对较窄。这使得精确聚焦和高脉冲能量对于确保可靠的打标结果至关重要。基于Nd:YVO₄的DPSS 激光器提供高脉冲能量，可用于打标陶瓷盖和基板。我们的PowerLine F 20-1064, 提供高达350 ns的可调脉冲宽度，专为改善此类打标应用的工艺窗口而设计。

PCB

PCB 在生产过程中通常使用可追溯的数据矩阵码进行标记，有机基板顶部的薄绿色阻焊层需要携带标记，而不暴露下面的铜。数据矩阵码可能非常小（单元尺寸小于125 µm），因此需要聚焦的激光光斑尺寸小于100 µm。绿光DPSS方案已成为这类应用的行业标准，而PowerLine E 20-355等基于紫外激光的产品因其更精细的分辨率和更低的热影响被用于高端基材的打标。

金属盖和引线框架

Coherent PowerLine F 系列属于典型的近红外光纤激光打标方案，广泛应用于微处理器和其他高功率IC的金属盖打标。金属引线框架通常镀锡、银或金，可以在电镀之前或之后进行打标。引线框架用于成本敏感型器件，必须最大限度地减少资本投资，因此通常采用更经济的光纤激光打标方案。

3  热压键合

“倒装芯片”是应用最广泛的先进封装技术之一。倒装芯片工艺的一个关键步骤是将裸芯片焊接到基板上。具体来说涉及以下步骤，熔化金属焊料凸点（之前已沉积在芯片的导电焊盘上），同时将芯片与基板（通常是PCB）压在一起。

随着集成电路和基板变得越来越薄，并且焊料凸点尺寸和彼此之间的间距（称为“节距”）缩小到100 µm以下，这一过程变得更具挑战性。热压键合 (TCB) 已成为倒装芯片应用中替代传统回流焊的方案。对非常薄的高密度封装基板，TCB可以提供更可靠的键合效果和更高的单元间一致性。

TCB 设备利用一块平板（称为“喷嘴”），在键合过程中向下压在芯片/基板组件上。这块板必须在整个键合过程中保持刚性、光滑和平整。这对于保持芯片本身的平整度是必要的，以确保不会出现焊料空洞。

该喷嘴还必须有气流孔，以便其可以作为真空吸盘工作。此外，它必须具有导热性，以便TCB系统中的加热和冷却元件能够在工艺中控制芯片温度。

因此，理想的喷嘴材料必须是机械刚性的，并且能够制作成非常光滑和平整的零件。它还必须具有高导热性。

Coherent 高意提供三种可以满足上述要求的材料 — 反应烧结碳化硅 (SiC)、单晶 SiC 和多晶金刚石。对特定的TCB工艺类型，每种材料都有其独特的特性和优势。

此外，Coherent 高意是一家垂直整合的 TCB 喷嘴制造商。我们的工厂可以生长每种材料，并能将其加工为成品零件。此外，我们的计量能力能够确保喷嘴平整度这一关键指标。

4  助力精度和性能

随着半导体封装体不断缩小其尺寸且变得更加复杂，先进激光和材料技术的作用变得越来越重要。

Coherent 高意致力于提供尖端解决方案，赋能半导体制造的未来。探索我们全面的激光器和材料系列，了解我们如何帮助您在这个快速发展的行业中保持领先地位。