引言
隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，高準(zhǔn)確度微小孔應(yīng)用在各行業(yè)中，其發(fā)展趨勢(shì)是孔徑小、深度大、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用材料廣泛(如高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高熔點(diǎn)的金屬、陶瓷、玻璃、高分子材料、晶體等物質(zhì))。傳統(tǒng)的微孔加工技術(shù)主要包括機(jī)械加工、電火花、化學(xué)腐蝕、超聲波打孔等技術(shù)，這些技術(shù)各有特點(diǎn)，但已經(jīng)無(wú)法滿足更高的微孔加工需求。比如，機(jī)械加工對(duì)高硬度、高脆性的材料效率很低，很難加工小于0.2mm的孔；電火花只能加工金屬材料。激光打孔具有效率高、極限孔徑小、準(zhǔn)確度高、成本低、幾乎無(wú)材料選擇性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為微孔加工的主流技術(shù)之一。
激光旋切鉆孔技術(shù)
當(dāng)前激光鉆孔最常用的加工方式為振鏡掃描，可逐層環(huán)切掃描或螺旋掃描，但振鏡掃描的不足之處是無(wú)法避免錐度，如圖1所示，在制孔過(guò)程中，由于聚焦激光光束的發(fā)散和多次反射現(xiàn)象，材料燒蝕速率會(huì)隨著制孔深度的增加急劇下降。因此，在較厚材料上制備較大深徑比的微孔更有難度。
圖1 在淺孔和深孔加工時(shí)的多次反射[1]
因此，得到高深徑比（≧10:1）、加工質(zhì)量高、零錐甚至倒錐的微孔是具有挑戰(zhàn)的，對(duì)于此類需求，最合適的加工方法是采用旋切頭模組，這種旋切頭不但可以使光束繞光軸高速旋轉(zhuǎn)，還可改變光束相對(duì)材料表面的傾角β，改變?chǔ)轮稻涂蓪?shí)現(xiàn)從正錐到零錐甚至倒錐的變化。當(dāng)前常用的旋切頭模組集中在四光楔掃描頭、道威棱鏡掃描頭和平行平板掃描頭，他們的光學(xué)原理大同小異，通過(guò)光學(xué)器件使進(jìn)入聚焦鏡的光束進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠揭坪蛢A斜，依靠高速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使光束繞光軸旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。
圖2 不同錐度的孔的成形原理[2]
圖3為四光楔掃描裝置光路圖，圖中左側(cè)兩個(gè)大角度光楔可以實(shí)現(xiàn)入射光束的平移，改變二者間距可以調(diào)整加工孔錐度；右側(cè)兩個(gè)小角度光楔組合實(shí)現(xiàn)人射光束的角度偏轉(zhuǎn)，使聚焦后的光斑偏離聚焦鏡光軸。工作時(shí)，四個(gè)光楔依靠伺服電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)焦斑繞聚焦鏡光軸旋轉(zhuǎn)掃描去除該圓周上的材料，同時(shí)沿光軸方向微量進(jìn)給，最終實(shí)現(xiàn)不同孔徑、錐度和深度的圓孔加工。為了實(shí)現(xiàn)四個(gè)光楔的同步旋轉(zhuǎn)和左側(cè)兩光楔的間距調(diào)整，該裝置一般采用復(fù)雜的鼠籠式結(jié)構(gòu)。
圖3 四光楔掃描裝置系統(tǒng)[2]
圖4為道威棱鏡掃描系統(tǒng)光路圖，道威棱鏡安裝到一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的空心力矩電機(jī)上，棱鏡旋轉(zhuǎn)一次可使激光旋轉(zhuǎn)掃描兩次。準(zhǔn)直后的激光東經(jīng)過(guò)前端的角度偏轉(zhuǎn)和橫向平移后進(jìn)入道威棱鏡和調(diào)整光楔，最后通過(guò)聚焦鏡聚焦到工作平面，實(shí)現(xiàn)環(huán)切掃描鉆孔。三個(gè)光楔通過(guò)偏擺和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)劳忡R的加工、裝配誤差，這種裝置可實(shí)現(xiàn)光斑2倍于轉(zhuǎn)速的自轉(zhuǎn)，避免了光斑質(zhì)量對(duì)孔質(zhì)量的影響，但對(duì)道威棱鏡的加工準(zhǔn)確度和裝配準(zhǔn)確度要求很高，后續(xù)的三光楔補(bǔ)償調(diào)整結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于批量生產(chǎn)的工程應(yīng)用具有一定的局限性。
圖4 道威棱鏡旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)[2]
圖5為平行平板掃描系統(tǒng)光路圖，把平行平板代替了四光楔模組中的平移光楔，將平行平板按照一個(gè)固定角度傾斜放置來(lái)產(chǎn)生光束的平移，其最大優(yōu)點(diǎn)是成本較低和使用壽較長(zhǎng)， 缺點(diǎn)是加工不同錐度的錐孔時(shí)，需要調(diào)節(jié)平行平板的傾角，必須將平行平板重新安裝，而且由于加工時(shí)震動(dòng)的存在，橫向位移的精度不易保證。
圖5 平行平板掃描系統(tǒng)[3]
旋切鉆孔技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用
01
探針卡（Probe card）
探針卡是晶圓測(cè)試中被測(cè)芯片和測(cè)試機(jī)之間的接口，主要應(yīng)用于芯片分片封裝前對(duì)芯片電學(xué)性能進(jìn)行初步測(cè)量，并篩選出不良芯片后，再進(jìn)行之后的封裝工程。它對(duì)前期測(cè)試的開(kāi)發(fā)及后期量產(chǎn)測(cè)試的良率保證都非常重要，是晶圓制造過(guò)程中對(duì)制造成本影響相當(dāng)大的重要制程。
隨著芯片的設(shè)計(jì)越來(lái)越小，密度越來(lái)越大，這就要求探針卡越來(lái)越多的針數(shù)，相鄰針尖間距從毫米及發(fā)展到幾十微米，導(dǎo)盤的孔徑和孔間距也必須相應(yīng)的越來(lái)越小，同時(shí)矩形和不規(guī)則形狀的孔也是一種趨勢(shì)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的探針卡是懸臂梁方式的環(huán)氧探針卡，高端器件用的芯片測(cè)試仍采用進(jìn)口的垂直探針卡。
圖6 探針導(dǎo)向板的上蓋（UD）和下蓋（LD）
圖6為垂直式探針卡導(dǎo)向板的上蓋（UD）和下蓋（LD）。探針導(dǎo)向板微孔參數(shù)分別由芯片設(shè)計(jì)的測(cè)試點(diǎn)設(shè)置、所用的探針直徑而定，一般而言，加工孔徑20-200μm，孔間距40-200μm，厚度0.1-1mm，孔型孔壁要求垂直，位置精度高。導(dǎo)向板材質(zhì)多為陶瓷和氮化硅（Si3N4），氮化硅被越來(lái)越多的應(yīng)用于新一代探針卡，但氮化硅極高的硬度使得它無(wú)法像傳統(tǒng)可加工陶瓷一樣采用機(jī)械加工，而常規(guī)的激光打孔方式也無(wú)法滿足要求。
而激光旋切鉆孔技術(shù)則很好的解決了上述問(wèn)題，既不受材料限制，又可加工高深徑比的無(wú)錐度孔。英諾激光利用自主開(kāi)發(fā)的激光旋切鉆孔技術(shù)對(duì)探針卡微孔加工做了大量研究與實(shí)驗(yàn)，當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)最小孔徑25μm，深徑比≧10:1，最大厚度達(dá)1mm的加工能力，圖7和圖8為英諾激光在Si3N4材料所鉆微孔的顯微照片。除圓孔外，還可加工某些探針卡需求的方孔，最小尺寸可達(dá)35×35μm，R角≦6μm，并且無(wú)錐度。圖9為50×50μm的方形孔，R角約6μm。
圖7 孔徑45μm顯微照片
圖8 側(cè)壁SEM照片
圖9 探針卡50×50μm方形孔
02立針（Bonding wedges）
在半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)中有一段制程為打線接合(Wire bonding)，利用線徑15-50μm的金屬線材將芯片(chip)及導(dǎo)線架(lead frame)連接起來(lái)的技術(shù)，使微小的芯片得以與外面的電路做溝通，而不需要增加太多的面積。而接合方式又分為楔形接合和球形接合，立針則主要用于楔形接合，可讓線材穿過(guò)其中，類似縫紉機(jī)中的針，線材穿過(guò)位在打線機(jī)臺(tái)上的針嘴，穿出針嘴的線材在芯片端經(jīng)過(guò)下壓完成第一焊點(diǎn)后，線材就會(huì)與芯片上的基板連結(jié)，機(jī)器手臂上升將線引出針嘴，再將線材移往第二焊點(diǎn)，一邊下壓一邊截?cái)嗑€材，完成一個(gè)循環(huán)，緊接著再繼續(xù)下一打線接合的循環(huán)，如圖10所示。
圖10 楔形接合過(guò)程[4]
立針材質(zhì)一般有鎢鋼、鈦合金、陶瓷等，圖11為立針針尖典型形貌，圖中標(biāo)紅位置為一個(gè)孔徑約50μm的微孔，當(dāng)前其加工方式多為電火花，但電火花加工存在效率低，側(cè)壁易產(chǎn)生重鑄層等不足，但采用激光旋切鉆孔技術(shù)搭配超快激光器則可避免上述問(wèn)題，圖12為英諾激光使用激光旋切鉆孔技術(shù)加工的針尖處微孔。
圖11 立針針尖典型形貌[5]
圖12 激光旋切鉆孔技術(shù)制得立針針尖微孔
總結(jié)
激光旋切鉆孔技術(shù)有著加工孔徑小、深徑比大、錐度可調(diào)、側(cè)壁質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，雖然該技術(shù)原理簡(jiǎn)單，但其旋切頭結(jié)構(gòu)往往較復(fù)雜，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制要求較高，所以有一定的技術(shù)門檻，并且因成本較高也限制了其廣泛應(yīng)用。近幾年隨著芯片制程由7nm向5nm發(fā)展以及5G時(shí)代的來(lái)臨，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)所用器件體積越來(lái)越小的訴求是可以預(yù)見(jiàn)的，激光旋切鉆孔技術(shù)作為先進(jìn)的制孔方式，與機(jī)械加工和電火花加工相比優(yōu)勢(shì)明顯，將有助于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1] Friedel S , Stolberg K . Femtosecond Laser Micro Milling Using Special Trepanning Optics[J]. Laser Technik Journal, 2017, 14(2):24-27.
[2] 趙華龍, 周仁魁, 趙衛(wèi),等. 飛秒激光倒錐微孔加工的反射式掃描裝置設(shè)計(jì)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2014, 043(009):98-103.
[3] 于洵, 張曉, 程光華. 激光微孔加工中調(diào)節(jié)孔錐度的算法研究[J]. 激光與紅外, 2012, 42(003):263-267.
[4] https://images.app.goo.gl/dqRaMy4CZRZnJhmdA
[5] http://www.dgzhouyu.com/
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