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SÜSS MicroTec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(mask projection)。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（waferlevel chip scale packages，WLCSP）、散出型晶圓級封裝(Fan out Wafer Level Package, 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。
SÜSS MicroTec ELP300是一種可以進行準分子激光燒蝕的商業化工具，能應用于先進封裝領域。該系統應用了一種典型的光罩投射技術和步進式結構。具體來說，激光通過一個含有所需圖形的光罩來投射，接著燒蝕基板(大于所需圖形)并去除，然后再燒蝕一次，直到完全得到所需的圖形。
該系統使用308nm或是248nm的準分子激光器，以匹配所應用的特定材料的吸收特性。高的脈沖能量(超過1J)和重復頻率(300 Hz)能帶來高的生產效率，并實現低至3μm的特征尺寸。此外，準分子激光燒蝕能很好地控制圖形深度和“側壁傾角”。后者非常重要，因為大傾角圖形兩側的“死角”會對隨后的金屬濺鍍或蒸鍍過程產生負面影響(圖3)。
圖3：不同的激光能量密度會影響圖形側壁的傾角，這對隨后的沉積步驟非常重要。
去除種子金屬層
準分子激光燒蝕的另一個獨特優點是，它不會對1μm厚以上的銅或鋁層造成影響，但厚度低于500nm的導電層很容易就能被燒蝕。我們可以很好地利用這一特點。
傳統上，RDL導電結構是在一個多步驟的過程中建立起來的。一開始通過金屬濺鍍或蒸鍍在整個元件表面涂覆一層薄的金屬層(厚度小于500nm)。隨后，這個“種子”導電層被干膜（具有光刻的圖形）涂覆，緊接著用化學電鍍工藝成型最后的導電結構(厚度通常>1μm)。然后去除光刻膠，并使用等離子刻蝕或濕式化學刻蝕來去除種子層，最后只剩下較厚的金屬結構。
這兩種刻蝕技術都有幾項缺點，例如圖形的蝕刻和過度切割可能會帶來機械不穩定性從而導致元件故障。濕式刻蝕方法甚至可能使金屬滲入到介電材料中，導致短路。另外，蝕刻過程的生產效率較低，使用的是危險化學品，并且不環保。
與之相反的是，對于種子金屬下面是有機保護層的晶圓來說，準分子激光去除種子層是一種干的一步法過程。在電鍍和脫膠后，將整個晶圓表面暴露在一個準分子激光脈沖中。厚的金屬導電結構很容易就在其晶格結構內從所有方向分散激光能量，因此不會被燒蝕。然而，薄的種子層不能足夠快地分散能量，因而超過了金屬的燒蝕閾值。吸收的能量在種子層內產生分子振動和熱量，并且到達聚合物界面并破壞化學鍵，產生氣體副產物。封閉的界面內的氣體壓力無處可去，直到激光脈沖產生的沖擊波到達以后并重新來向上吹掉上面的薄金屬層。這個過程對周圍以及下面的材料造成的傷害是最小的(圖4)。
圖4：在種子金屬層上鍍上導電結構(a)。準分子激光的能量被種子層和金屬結構吸收。較厚的金屬結構會傳播能量，并且不會被燒蝕。薄的種子層不能足夠快地分散能量，它造成的分子振動和熱量到達聚合物界面(b)。聚合物的化學鍵被破壞，并產生了氣體副產物和壓力。激光脈沖產生的沖擊波加上氣體壓力會吹掉聚合物表面上的種子金屬層(c)。種子金屬層被完全去除，但是導電結構仍然保持完好無損(d)。
用準分子激光去除種子金屬層，能防止過度切割和蝕刻電鍍金屬結構，并能避免濕法蝕刻化學品及其相關費用，是一個簡單的干的過程，甚至還能實現燒蝕金屬的回收。另外，基于準分子的過程非常快速。例如，當使用高功率準分子激光器(例如300W)時，光束可以成形至大約1-2cm2 的范圍。上文所述的SÜSS MicroTec ELP300集成了高功率準分子激光器，去除種子層的效率能達到每小時60至100片晶圓。
小結
準分子激光器已經成為制造集成電路、顯示屏和柔性電子元件的關鍵技術。現在，通過提供更為環保的構造過程和更出色的效果，它們已準備好在微電子先進封裝領域中大展拳腳。
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