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發(fā)布日期:2022-10-09 點擊率:62
消費者對微電子產(chǎn)品的要求非常嚴苛——更緊湊、節(jié)能、功能更強大,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(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)平臺是如何將準分子激光器成功應(yīng)用在其他的先進封裝應(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)的基準標記,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(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行光刻曝光,然后進行濕法顯影,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(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:準分子激光燒蝕在聚酰亞胺上制造出干凈、小的圖形。
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