消費者對微電子產(chǎn)品的要求非常嚴(yán)苛——更緊湊、節(jié)能、功能更強(qiáng)大，這些歸根結(jié)底都要求電路封裝技術(shù)采用更小的特征尺寸。隨著電路尺寸的縮小，用于先進(jìn)電路封裝中各種微結(jié)構(gòu)工序的傳統(tǒng)方法(如光刻)的表現(xiàn)越來越不盡如人意，成本也隨之增加，所以在許多情況下，準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光燒蝕在玻璃內(nèi)插板鉆孔方面的應(yīng)用，以及SüSSMicroTec公司（美國加利福尼亞州科洛納市）的交鑰匙系統(tǒng)平臺是如何將準(zhǔn)分子激光器成功應(yīng)用在其他的先進(jìn)封裝應(yīng)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(shù)，能實現(xiàn)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?；ミB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(nèi)插板，可以由硅或玻璃組成。目前，在實際的微電子生產(chǎn)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(nèi)插板上。
其中一個關(guān)鍵的工藝就是微鉆孔(通孔)，用來實現(xiàn)電路元件之間實現(xiàn)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(shù)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(yōu)勢，因為它是非接觸式的，且更靈活，還能應(yīng)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(jié)構(gòu)化制造通常能帶來更高的生產(chǎn)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(zhì)上來說是一種更為環(huán)保的過程，能避免使用有潛在危險的光刻技術(shù)用化學(xué)品。
基于這些優(yōu)勢，CO2激光器被廣泛用于微電子封裝應(yīng)用的通孔鉆孔工序中已經(jīng)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(jié)果是CO2激光鉆孔直徑的實際下限約為70μm。因此，若想實現(xiàn)更小的直徑，則需要較短的波長(例如紫外線)。
為了探尋準(zhǔn)分子激光器在這項應(yīng)用上的潛力，相干（Coherent）應(yīng)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(jié)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(chǎn)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(qiáng)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(xiàn)錐度，但通過從玻璃的兩面連續(xù)鉆孔會大大改善這種情況。這是相對容易實現(xiàn)的，因為透明的玻璃使其很容易定位玻璃一側(cè)的基準(zhǔn)標(biāo)記，便于它翻轉(zhuǎn)后從另一側(cè)鉆孔?？傊?，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(zhǔn)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(zhǔn)分子激光內(nèi)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(shù)(maskprojection)。在此方法中，激光能量密度、脈沖頻率和總脈沖數(shù)決定了能應(yīng)用的最大區(qū)域尺寸，但并不是指在這一區(qū)域內(nèi)能的鉆總孔數(shù)。因此，隨著節(jié)距的減小(給定區(qū)域內(nèi)的鉆孔數(shù)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(jié)距的平方成正比。顯然，未來通孔直徑和節(jié)距會隨著時間的推移而不斷減小，而這項技術(shù)將能一直發(fā)揮作用，意味著它將“永不過時”。
再布線層的聚合物構(gòu)造
幾乎所有類型的先進(jìn)封裝，例如倒裝芯片、晶圓級芯片規(guī)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(yù)期的節(jié)距。
目前，業(yè)內(nèi)主要是使用“光界定”電介質(zhì)來制造RDL。他們用感光材料在所需的電路圖形上進(jìn)行光刻曝光，然后進(jìn)行濕法顯影，以去除曝光或未曝光的區(qū)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(xué)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(jī)械性能。例如，熱膨脹系數(shù)(CTE)可能與它們鍵合的材料不匹配，從而會造成機(jī)械應(yīng)力。因此，光界定電介質(zhì)的使用可能會導(dǎo)致翹曲變形和應(yīng)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(yīng)對光界定電介質(zhì)的缺點和高成本及其相關(guān)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(zhǔn)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(chǎn)生更少的應(yīng)力，具有較低的熱膨脹系數(shù)，并極大地改善了機(jī)械性能和電氣性能。準(zhǔn)分子激光燒蝕對于非感光型介電材料和先進(jìn)復(fù)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(huán)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(xué)品，因而整體的過程更為環(huán)保(圖2)。
圖2：準(zhǔn)分子激光燒蝕在聚酰亞胺上制造出干凈、小的圖形。
SüSSMicroTecELP300是一種可以進(jìn)行準(zhǔn)分子激光燒蝕的商業(yè)化工具，能應(yīng)用于先進(jìn)封裝領(lǐng)域。該系統(tǒng)應(yīng)用了一種典型的光罩投射技術(shù)和步進(jìn)式結(jié)構(gòu)。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(tǒng)使用308nm或是248nm的準(zhǔn)分子激光器，以匹配所應(yīng)用的特定材料的吸收特性。高的脈沖能量(超過1J)和重復(fù)頻率(300Hz)能帶來高的生產(chǎn)效率，并實現(xiàn)低至3μm的特征尺寸。此外，準(zhǔn)分子激光燒蝕能很好地控制圖形深度和“側(cè)壁傾角”。后者非常重要，因為大傾角圖形兩側(cè)的“死角”會對隨后的金屬濺鍍或蒸鍍過程產(chǎn)生負(fù)面影響(圖3)。
圖3：不同的激光能量密度會影響圖形側(cè)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(zhǔn)分子激光燒蝕的另一個獨特優(yōu)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(dǎo)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(tǒng)上，RDL導(dǎo)電結(jié)構(gòu)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(dǎo)電層被干膜（具有光刻的圖形）涂覆，緊接著用化學(xué)電鍍工藝成型最后的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(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(xué)刻蝕來去除種子層，最后只剩下較厚的金屬結(jié)構(gòu)。
這兩種刻蝕技術(shù)都有幾項缺點，例如圖形的蝕刻和過度切割可能會帶來機(jī)械不穩(wěn)定性從而導(dǎo)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(dǎo)致短路。另外，蝕刻過程的生產(chǎn)效率較低，使用的是危險化學(xué)品，并且不環(huán)保。
與之相反的是，對于種子金屬下面是有機(jī)保護(hù)層的晶圓來說，準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光脈沖中。厚的金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)很容易就在其晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)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(nèi)產(chǎn)生分子振動和熱量，并且到達(dá)聚合物界面并破壞化學(xué)鍵，產(chǎn)生氣體副產(chǎn)物。封閉的界面內(nèi)的氣體壓力無處可去，直到激光脈沖產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)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(dǎo)電結(jié)構(gòu)(a)。準(zhǔn)分子激光的能量被種子層和金屬結(jié)構(gòu)吸收。較厚的金屬結(jié)構(gòu)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(dá)聚合物界面(b)。聚合物的化學(xué)鍵被破壞，并產(chǎn)生了氣體副產(chǎn)物和壓力。激光脈沖產(chǎn)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(dǎo)電結(jié)構(gòu)仍然保持完好無損(d)。
用準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，并能避免濕法蝕刻化學(xué)品及其相關(guān)費用，是一個簡單的干的過程，甚至還能實現(xiàn)燒蝕金屬的回收。另外，基于準(zhǔn)分子的過程非?？焖?。例如，當(dāng)使用高功率準(zhǔn)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SüSSMicroTecELP300集成了高功率準(zhǔn)分子激光器，去除種子層的效率能達(dá)到每小時60至100片晶圓。
小結(jié)
準(zhǔn)分子激光器已經(jīng)成為制造集成電路、顯示屏和柔性電子元件的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)在，通過提供更為環(huán)保的構(gòu)造過程和更出色的效果，它們已準(zhǔn)備好在微電子先進(jìn)封裝領(lǐng)域中大展拳腳。
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