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?？纱┐髦悄茈娮友b備是最早廣泛利用該技術(shù)微型化優(yōu)勢(shì)的消費(fèi)產(chǎn)品。

SiP 設(shè)備通常由有源和無(wú)源電子元件組成，所有元件安裝在表面包含銅引線(xiàn)的陶瓷基板上，該陶瓷基板用作接地層。整個(gè)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(gè) 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(gè) SiP 設(shè)備會(huì)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(gè)元件。在某些情況下，甚至還會(huì)在單個(gè)元件的模塑料上開(kāi)槽（切割前），一直延伸至接地層。上述步驟會(huì)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(lái)，SiP 的各部分電路就不會(huì)相互干擾。

無(wú)論是進(jìn)行切割還是開(kāi)槽，切口的位置和深度都必須精確無(wú)誤，并且沒(méi)有碎屑。此外，任何熱效應(yīng)和切割過(guò)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(huì)對(duì)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(lái)不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)切割方法采用的是金剛石鋸片。但實(shí)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(guò)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(wèn)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(gè)缺點(diǎn)是只能進(jìn)行直線(xiàn)切割，不能在裝置上完成曲線(xiàn)、輪廓或切口切割。但由于 SiP 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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?yàn)樗鼤?huì)降低材料加工利用率。具體來(lái)說(shuō)，鋸切會(huì)在切口附近產(chǎn)生相對(duì)較大的鋸縫和加工影響區(qū)域。于是就需要在單個(gè)元件中預(yù)留足夠的空間距離，從而避免加工過(guò)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(huì)減少，所以會(huì)增加元件最終的單位成本。

激光代表了目前唯一能夠全部滿(mǎn)足 SiP 分離，開(kāi)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(huì)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(jí)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(lèi)激光器是通過(guò)光熱作用去除材料（圖 1）。在這類(lèi)加工過(guò)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(huì)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(huì)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(zhǎng)。UV 通常是這類(lèi)切割應(yīng)用的首選激光，因?yàn)橄鄬?duì)于較長(zhǎng)的波長(zhǎng)（綠光、紅外光），利用 UV 輸出可最大程度地減小 HAZ 面積。這是因?yàn)?UV 光會(huì)被大部分材料強(qiáng)吸收，因此不會(huì)滲透至基板內(nèi)部。

 圖 1：超快加工和長(zhǎng)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(zhǎng)為 532 nm（綠光）的皮秒級(jí)超短脈沖 (USP) 激光通?？僧a(chǎn)生良好的加工效果，因此正逐漸成為 UV 納秒級(jí)激光的替代技術(shù)。這是因?yàn)槠涑堂}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(shí)間內(nèi)工作， 材料中的電子無(wú)法將其以熱能傳輸?shù)骄Ц裾駝?dòng)以產(chǎn)生熱能。這種工藝組合也因HAZ 最小被稱(chēng)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(lèi)似于傳統(tǒng)納秒級(jí)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?yàn)殚L(zhǎng)波長(zhǎng)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(chǎng)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(wú)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(méi)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(shí)用的切割激光器

對(duì)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(jí)超短脈沖激光器。相干公司的40W AVIA NX 納秒級(jí)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(lái)說(shuō)，功率越高，切割速度越快，但也會(huì)產(chǎn)生較大的碎屑。

相干公司的 HyperRapid NX（圖 3）為皮秒級(jí)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(jí)激光器相當(dāng) - 通常是 10 mm/s 左右。對(duì)于諸如指紋傳感器等較薄的結(jié)構(gòu)（0.45 mm），綠光皮秒級(jí)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(guò) 75 mm/s 的產(chǎn)能，而 40W 紫外納秒級(jí)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(lái)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(guò)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(hù)資本投資回報(bào)實(shí)現(xiàn)最大化。

關(guān)于這一點(diǎn)，脈沖選通、單脈沖持續(xù)能量控制及動(dòng)態(tài)改變重復(fù)頻率等功能顯得尤為重要。確保掃描頭、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和激光脈沖之間的高度同步是非常必要的，可實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)和輪廓的最佳切割。激光束在曲線(xiàn)上的移動(dòng)速度要慢于切割直線(xiàn)時(shí)的速度（因?yàn)槠脚_(tái)或電流計(jì)鏡必須減速 / 加速）。所以脈沖間的時(shí)間間隔必須具有動(dòng)態(tài)變化，以便在任何指定點(diǎn)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(shì)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(shí)間周期的同時(shí)，保持完美的切割質(zhì)量。另一個(gè)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(dòng)約為 10 ns，有助于實(shí)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(mǎn)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(xiǎn)。相干公司采用高加速壽命測(cè)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(cè)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(cè)試方案，通過(guò)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(shí)完善設(shè)計(jì)方案，不斷重復(fù)這一嚴(yán)格試驗(yàn)，直至排除并且規(guī)避所有可能發(fā)生的故障的測(cè)試。HASS 是一種用于每個(gè)制造單元的補(bǔ)充篩選協(xié)議。它可以在交付前檢測(cè)潛在制造缺陷，并且不會(huì)影響裝置的使用壽命， 從而大幅提高開(kāi)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?yàn)樵O(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(wú)縫調(diào)整，并能滿(mǎn)足不同細(xì)分市場(chǎng)的需求。支持廣泛操作模式的激光器可隨時(shí)提供正確的工藝配方，以滿(mǎn)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(jià)格仍高于具有同等輸出功率的納秒級(jí)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(shì)時(shí)才會(huì)采用 HyperRapid NX 這類(lèi) 超短脈沖激光器。這種優(yōu)勢(shì)在應(yīng)對(duì)封裝切割中的以下要求時(shí)會(huì)體現(xiàn)出來(lái)：

• HAZ 要求小于 50 nm

• 切割透明的阻焊層（因?yàn)槠湓诩訜釙r(shí)顏色會(huì)變暗）

• 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

• 切割厚度為幾十微米的銅層

雖然超短脈沖加工相較于納秒方式有著固有的優(yōu)勢(shì)，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(duì)指紋傳感器和 SiP 切割進(jìn)行了高級(jí)優(yōu)化研究，旨在最大程度地減少切割過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑，同時(shí)不降低切割速度。我們的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了工藝的各個(gè)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(lèi)型）、激光器與電流計(jì)掃描頭同步（速度、觸發(fā)、跳動(dòng)、計(jì)時(shí)）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(guò)程中仍然會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的 HAZ、燒蝕和碎屑。

對(duì)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(guò)在激光器上設(shè)定最大可用脈沖能量（125 µJ）實(shí)現(xiàn)的。在此功率等級(jí)，激光器能夠以大于 75 mm/s 的速度切割 0.45 mm 厚的基板。無(wú)論基板是哪種材料（銅、環(huán)氧樹(shù)脂等），均可保持這個(gè)速度。對(duì)于周長(zhǎng)為 42 mm 的典型指紋傳感器，其加工時(shí)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(guò)清理。

圖 5. 經(jīng)過(guò)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(guò)清理。

SiP 切割的工藝優(yōu)化也能達(dá)到類(lèi)似的效果（圖 5 和 6）。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)設(shè)定最高的脈沖能量（125 µJ）獲得了最佳的效果。對(duì)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(shí)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(jiǎn)化清理步驟，甚至無(wú)需后續(xù)清理。

圖 6. 經(jīng)過(guò)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(guò)清理。

圖 7. 經(jīng)過(guò)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(guò)清理。

對(duì)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(gè)采用超短脈沖激光器進(jìn)行切割的示例中，工藝優(yōu)化無(wú)需降低激光功率或重復(fù)頻率，也即是說(shuō)不會(huì)影響速度。這也充分說(shuō)明針對(duì)整機(jī)進(jìn)行全面工藝開(kāi)發(fā)的重要意義和價(jià)值，以便通過(guò)超快激光加工實(shí)現(xiàn)最佳切割效果。

相干公司擁有經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，對(duì)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?hù)提供的最有價(jià)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(shì)。

相干公司的測(cè)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(shí)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(hù)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將會(huì)進(jìn)一步縮短。隨著這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越高，必將成為吸引更多最終用戶(hù)的首選。

作者：

Florent Thibault，相干公司工業(yè)級(jí)皮秒激光器產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理

Hatim Haloui，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理

Joris van Nunen，產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理