在設(shè)計生產(chǎn)新一代先進(jìn)的微電子設(shè)備過程中，半導(dǎo)體封裝行業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)。其中尤為突出的難題便是如何將單塊電路基板分離成若干獨立的電子元器件。在很多情況下，其切割技術(shù)要求已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)械切割的能力范圍。例如，腕戴式可穿戴設(shè)備中使用的系統(tǒng)封裝 (SiP) 電路以及許多手機(jī)、平板電腦或智能手表上的指紋傳感器。這促使激光切割成為唯一可行的方法；納秒和皮秒（稱為超短脈沖）激光器是這些工藝目前采用的工具。本文將對比這兩種方法，并詳細(xì)介紹用于 SiP 和指紋傳感器切割的超短脈沖皮秒激光器的特征和工藝方案。
背景介紹
SiP（系統(tǒng)封裝）正迅速成為一種重要的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，它能以極小的體積提供強(qiáng)大的功能。可穿戴智能電子裝備是最早廣泛利用該技術(shù)微型化優(yōu)勢的消費產(chǎn)品。
SiP 設(shè)備通常由有源和無源電子元件組成，所有元件安裝在表面包含銅引線的陶瓷基板上，該陶瓷基板用作接地層。整個組件封裝在模塑料中。而模塑料涂有導(dǎo)電層，作為電磁屏蔽層。整個 SiP 設(shè)備的厚度通常約為 1 mm，而模塑料的厚度通常只有該值的一半。
在批量生產(chǎn)中，多個 SiP 設(shè)備會被裝配到單塊基板上（通常是 FR4 或陶瓷基板），然后再被切割（分割）為單個元件。在某些情況下，甚至還會在單個元件的模塑料上開槽（切割前），一直延伸至接地層。上述步驟會在覆蓋涂層之前完成，以便后續(xù)鍍膜能將 SiP 子區(qū)域完全包覆。這樣一來，SiP 的各部分電路就不會相互干擾。
無論是進(jìn)行切割還是開槽，切口的位置和深度都必須精確無誤，并且沒有碎屑。此外，任何熱效應(yīng)和切割過程中產(chǎn)生的多層基板分離，陶瓷層出現(xiàn)微裂紋都可能會對這些即將要集成到高端智能手機(jī)、平板電腦或可穿戴式電子產(chǎn)品中的設(shè)備帶來不可接受的風(fēng)險。
傳統(tǒng)切割方法采用的是金剛石鋸片。但實現(xiàn) SiP 切割，機(jī)械加工方式具有比較明顯的局限性。其中包括在切割過程中出現(xiàn)基板碎裂和分層，以及產(chǎn)生較大的碎屑。所有這些問題最終可能導(dǎo)致裝置發(fā)生故障。雖然可以采用后續(xù)加工技術(shù)去除切割碎屑，但由于碎屑大小和數(shù)量不同，殘余材料仍可能在清理之后附著在元件上。
鋸切的另一個缺點是只能進(jìn)行直線切割，不能在裝置上完成曲線、輪廓或切口切割。但由于 SiP 的結(jié)構(gòu)設(shè)計受空間尺寸限制，結(jié)構(gòu)比較緊湊，它們的形狀通常非常復(fù)雜且不規(guī)則，有時還帶有切口。
此外，機(jī)械切割還有經(jīng)濟(jì)方面的不利因素，因為它會降低材料加工利用率。具體來說，鋸切會在切口附近產(chǎn)生相對較大的鋸縫和加工影響區(qū)域。于是就需要在單個元件中預(yù)留足夠的空間距離，從而避免加工過程中的損壞。但由于元件間距大，使得同樣面積里布置的元件數(shù)量就會減少，所以會增加元件最終的單位成本。
激光切割
激光代表了目前唯一能夠全部滿足 SiP 分離，開槽以及指紋傳感器切割要求的切割技術(shù)。水注切割法可能會因切割期間封裝層間進(jìn)水而導(dǎo)致封裝失敗。
到目前為止，具有納秒級脈寬的固體激光器一直都是 SiP 切割所用的主要工具。但這類激光器是通過光熱作用去除材料（圖 1）。在這類加工過程中，聚焦的激光束是一種高密度、高強(qiáng)度的熱源。加工材料被迅速加熱，最終變?yōu)檎羝ㄆ＿@種加工方式會造成某種程度的周邊熱影響區(qū)域 (HAZ) 損壞（比如表面涂層剝離、細(xì)微裂縫或部分材料屬性改變），并會產(chǎn)生重融材料和碎片。
納秒激光器可輸出紅外、綠色和紫外 (UV) 波長。UV 通常是這類切割應(yīng)用的首選激光，因為相對于較長的波長（綠光、紅外光），利用 UV 輸出可最大程度地減小 HAZ 面積。這是因為 UV 光會被大部分材料強(qiáng)吸收，因此不會滲透至基板內(nèi)部。
圖 1：超快加工和長脈寬激光器加工之間的主要差異示意圖。
在封裝切割應(yīng)用領(lǐng)域，工作波長為 532 nm（綠光）的皮秒級超短脈沖 (USP) 激光通常可產(chǎn)生良好的加工效果，因此正逐漸成為 UV 納秒級激光的替代技術(shù)。這是因為其超短脈寬可產(chǎn)生極高的峰值功率（兆瓦以上）。這種高峰值功率可使加工材料的化學(xué)鍵瞬間斷裂。此外，由于激光器僅在極短的時間內(nèi)工作， 材料中的電子無法將其以熱能傳輸?shù)骄Ц裾駝右援a(chǎn)生熱能。這種工藝組合也因HAZ 最小被稱為冷加工（圖2）。另外，綠光皮秒超短脈沖激光器加工產(chǎn)生的碎屑小而少，只需采用非常經(jīng)濟(jì)的清理方法即可清除。
為何使用綠光？類似于傳統(tǒng)納秒級激光器，新型皮秒超短脈沖激光器也可輸出紅外光、綠光和紫外光。但在封裝切割方面，綠光方案明顯優(yōu)于紅外，因為長波長可能造成許多常用的復(fù)合基板（如 FR4） 燒蝕或炭化。雖然紫外激光的切割質(zhì)量要高于綠激光，但由于目前市場上可用的紫外皮秒超短脈沖激光器的功率較低，所以產(chǎn)能較小。因此綜合考慮切割質(zhì)量和成本，綠光無疑是最佳首選。綠光代表最佳的切割質(zhì)量和切割速度組合。
圖 2.“深黃”，使用納秒激光器和超短脈沖激光器（紫外光加工）刻劃的 30 µm 厚的聚酰亞胺層。納秒激光器的加工速度為 66 mm/s，超短脈沖 激光器的切割速度為 193 mm/s。納秒激光器產(chǎn)生大面積的熱影響區(qū)域（上圖中變深的區(qū)域），而超短脈沖激光器則沒有產(chǎn)生熱影響區(qū)域，而且切割寬度遠(yuǎn)小于納秒激光器。注意兩張圖片的比例尺差異。
實用的切割激光器
對于這些切割應(yīng)用，相干公司提供具有充足功率輸出的納秒和皮秒級超短脈沖激光器。相干公司的40W AVIA NX 納秒級紫外固體激光器已廣泛用于半導(dǎo)體封裝切割領(lǐng)域。相干公司還提供了功率更高的50W AVIA NX 激光器，功率的增加使切割速度更快。但是，受限于激光 / 材料相互作用的熱元件，在速度和切割質(zhì)量之間要有所取舍。具體來說，功率越高，切割速度越快，但也會產(chǎn)生較大的碎屑。
相干公司的 HyperRapid NX（圖 3）為皮秒級超短脈沖激光器，具有 50W 的綠光輸出（532 nm）。切割 1.2 mm 厚的 SiP 設(shè)備，其切割速度可與 40W 紫外納秒級激光器相當(dāng) - 通常是 10 mm/s 左右。對于諸如指紋傳感器等較薄的結(jié)構(gòu)（0.45 mm），綠光皮秒級超短脈沖激光器的切割速度明顯要快。尤其是它能達(dá)到超過 75 mm/s 的產(chǎn)能，而 40W 紫外納秒級激光器的產(chǎn)能只有該值的三分之一左右。
盡管超短脈沖激光器通常能為先進(jìn)封裝應(yīng)用領(lǐng)域帶來更好的加工效果，但目前僅在微電子產(chǎn)品行業(yè)廣泛使用。過去幾年，相干公司等企業(yè)大幅提高了激光器的性能和可靠性，進(jìn)而降低了其擁有成本。此外， 相干公司的 HyperRapid NX 系列超短脈沖激光器采用多種先進(jìn)的輸出控制方式，大大改善了工藝并提高了靈活性，從而讓客戶資本投資回報實現(xiàn)最大化。
關(guān)于這一點，脈沖選通、單脈沖持續(xù)能量控制及動態(tài)改變重復(fù)頻率等功能顯得尤為重要。確保掃描頭、運動平臺和激光脈沖之間的高度同步是非常必要的，可實現(xiàn)曲線和輪廓的最佳切割。激光束在曲線上的移動速度要慢于切割直線時的速度（因為平臺或電流計鏡必須減速 / 加速）。所以脈沖間的時間間隔必須具有動態(tài)變化，以便在任何指定點保持恒定的激光功率輸出，從而使激光/ 材料相互作用保持一致。這種先進(jìn)的同步模式的主要優(yōu)勢在于，始終都能以最大的掃描速度進(jìn)行切割，所以可在縮短時間周期的同時，保持完美的切割質(zhì)量。另一個可選的方案是在恒定的低速下工作，速度相當(dāng)于受限于元件形狀施加的最低速度。相干公司 HyperRapid 激光器的結(jié)構(gòu)脈沖抖動約為 10 ns，有助于實現(xiàn)這一功能。
圖 3.HyperRapid NX 是相干公司新一代的工業(yè)超短脈沖激光器，提供的性能和可靠性能夠滿足注重成本的工業(yè)制造應(yīng)用的需求。
超短脈沖激光技術(shù)比傳統(tǒng)激光技術(shù)更為復(fù)雜，而這種復(fù)雜性隱藏著潛在的故障風(fēng)險。相干公司采用高加速壽命測試 (HALT) 和高加速應(yīng)力篩選 (HASS) ，提高了超短脈沖激光器的產(chǎn)品可靠性和使用壽命（目前相干公司是激光行業(yè)唯一一家采用這種測試方式的公司）。HALT 是一種在元件和系統(tǒng)的研發(fā)階段導(dǎo)入的測試方案，通過在極端條件下迫使器件及系統(tǒng)發(fā)生故障的方式，分析激光器故障原理并及時完善設(shè)計方案，不斷重復(fù)這一嚴(yán)格試驗，直至排除并且規(guī)避所有可能發(fā)生的故障的測試。HASS 是一種用于每個制造單元的補(bǔ)充篩選協(xié)議。它可以在交付前檢測潛在制造缺陷，并且不會影響裝置的使用壽命， 從而大幅提高開箱質(zhì)量。HASS 還可以持續(xù)改進(jìn)制造工藝，這是提高產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。
最后，操作靈活性也非常重要，因為設(shè)備結(jié)構(gòu)多種多樣，變化迅速。操作靈活性使顯示屏制造商能夠隨著設(shè)備結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行無縫調(diào)整，并能滿足不同細(xì)分市場的需求。支持廣泛操作模式的激光器可隨時提供正確的工藝配方，以滿足這些不同需求。
當(dāng)然，成本始終是考慮因素之一，超短脈沖激光器價格仍高于具有同等輸出功率的納秒級激光器。因此，只有在某些應(yīng)用領(lǐng)域能夠獲得明顯優(yōu)勢時才會采用 HyperRapid NX 這類 超短脈沖激光器。這種優(yōu)勢在應(yīng)對封裝切割中的以下要求時會體現(xiàn)出來：
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HAZ 要求小于 50 nm
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切割透明的阻焊層（因為其在加熱時顏色會變暗）
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切割脆性材料，比如陶瓷、玻璃或復(fù)合材料（包括玻璃纖維），要求使形成的碎屑小于幾十微米
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切割厚度為幾十微米的銅層
工藝優(yōu)化
雖然超短脈沖加工相較于納秒方式有著固有的優(yōu)勢，但超短脈沖需要更全面的工藝優(yōu)化發(fā)揮潛力， 并最大程度地減少甚至消除產(chǎn)生的碎屑。相干公司對指紋傳感器和 SiP 切割進(jìn)行了高級優(yōu)化研究，旨在最大程度地減少切割過程中產(chǎn)生的碎屑，同時不降低切割速度。我們的應(yīng)用團(tuán)隊優(yōu)化了工藝的各個方面， 而不僅僅是激光束。這包括排氣系統(tǒng)（位置、壓力）、吹氣系統(tǒng)（幾何形狀、位置、壓力、工藝氣體類型）、激光器與電流計掃描頭同步（速度、觸發(fā)、跳動、計時）和總體加工方案。在此之前，盡管優(yōu)化了激光器參數(shù)，切割過程中仍然會產(chǎn)生不對稱的 HAZ、燒蝕和碎屑。
對于指紋傳感器切割，最佳的效果是能夠?qū)崿F(xiàn)碎屑小甚至完全避免碎屑的完美切割，（圖 4）。這種高質(zhì)量的切割是通過在激光器上設(shè)定最大可用脈沖能量（125 µJ）實現(xiàn)的。在此功率等級，激光器能夠以大于 75 mm/s 的速度切割 0.45 mm 厚的基板。無論基板是哪種材料（銅、環(huán)氧樹脂等），均可保持這個速度。對于周長為 42 mm 的典型指紋傳感器，其加工時間為 0.55 s。
圖 4. 綠光 超短脈沖激光器切割指紋傳感器，工藝優(yōu)化前后。工藝優(yōu)化基本上消除燒灼和碎屑（白層）。所示樣本未經(jīng)過清理。
圖 5. 經(jīng)過工藝優(yōu)化，超短脈沖 激光器切割的指紋傳感器的邊緣和截面細(xì)節(jié)顯示切口很平整、質(zhì)量非常高。所示樣本未經(jīng)過清理。
SiP 切割的工藝優(yōu)化也能達(dá)到類似的效果（圖 5 和 6）。具體來說，通過設(shè)定最高的脈沖能量（125 µJ）獲得了最佳的效果。對于厚度為 1.2 mm 的基板，切割速度大于 10 mm/s。S1 樣本的周期時間為10.3 s（用在智能手表中的 SiP）。同樣，其切割質(zhì)量幾乎完美，產(chǎn)生的碎屑少到足以簡化清理步驟，甚至無需后續(xù)清理。
圖 6. 經(jīng)過工藝優(yōu)化，綠光 USP 激光器切割的 SiP 元件 (S1) 的邊緣和截面細(xì)節(jié)顯示切口很平整、質(zhì)量非常高。所示樣本未經(jīng)過清理。
圖 7. 經(jīng)過工藝優(yōu)化，綠光 USP 激光器切割的 SiP 元件 (S1) 的結(jié)果圖顯示邊緣的質(zhì)量完美。所示樣本未經(jīng)過清理。
對于許多工業(yè)加工，優(yōu)化需要有所取舍和折中，比如速度與切割質(zhì)量。在這兩個采用超短脈沖激光器進(jìn)行切割的示例中，工藝優(yōu)化無需降低激光功率或重復(fù)頻率，也即是說不會影響速度。這也充分說明針對整機(jī)進(jìn)行全面工藝開發(fā)的重要意義和價值，以便通過超快激光加工實現(xiàn)最佳切割效果。
相干公司擁有經(jīng)驗豐富的應(yīng)用開發(fā)團(tuán)隊，對于一些新興應(yīng)用，有能力幫助優(yōu)化激光和材料相互作用的工藝，以獲得最佳效果。這也是我們?yōu)榭蛻籼峁┑淖钣袃r值的整體解決方案：最為可靠和性能卓越的激光源、最優(yōu)的加工工藝和最佳產(chǎn)品配置，以及如何充分利用超短脈沖激光加工的優(yōu)勢。
結(jié)論
相干公司的測試證明綠光超短脈沖激光器可在多種半導(dǎo)體先進(jìn)封裝切割工藝領(lǐng)域提供卓越的切割質(zhì)量。而且，可實現(xiàn)最佳品質(zhì)的高功率 / 高能量的綠光激光器輸出。
因此，我們有理由相信，一旦高功率超短脈沖激光器投入使用，客戶產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將會進(jìn)一步縮短。隨著這項技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性越來越高，必將成為吸引更多最終用戶的首選。
作者：
Florent Thibault，相干公司工業(yè)級皮秒激光器產(chǎn)品線經(jīng)理
Hatim Haloui，應(yīng)用實驗室經(jīng)理
Joris van Nunen，產(chǎn)品營銷經(jīng)理
轉(zhuǎn)載請注明出處。
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