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準(zhǔn)分子激光器應(yīng)用于先進(jìn)電路封裝

星之球科技 來(lái)源:榮格2015-12-10 我要評(píng)論(0 )   

消費(fèi)者對(duì)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。


      消費(fèi)者對(duì)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(lái)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SÜSS MicroTec公司(美國(guó)加利福尼亞州科洛納市)的交鑰匙系統(tǒng)平臺(tái)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(shuō)的“3D封裝”是一種重要的新興技術(shù),能實(shí)現(xiàn)更高密度的微電子封裝。在3D封裝中,將多個(gè)單獨(dú)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(nèi)插板,可以由硅或玻璃組成。目前,在實(shí)際的微電子生產(chǎn)中利用的是2.5D封裝。這是一個(gè)中間步驟,它將一個(gè)電路芯片堆疊在內(nèi)插板上。

其中一個(gè)關(guān)鍵的工藝就是微鉆孔(通孔),用來(lái)實(shí)現(xiàn)電路元件之間實(shí)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(lái)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(shì),因?yàn)樗欠墙佑|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(diǎn)。此外,激光微結(jié)構(gòu)化制造通常能帶來(lái)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(lái)說(shuō)是一種更為環(huán)保的過(guò)程,能避免使用有潛在危險(xiǎn)的光刻技術(shù)用化學(xué)品。

基于這些優(yōu)勢(shì),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(shí)間了。然而,CO2激光器具有的長(zhǎng)紅外波長(zhǎng)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(shí)際下限約為70μm。因此,若想實(shí)現(xiàn)更小的直徑,則需要較短的波長(zhǎng)(例如紫外線)。

為了探尋準(zhǔn)分子激光器在這項(xiàng)應(yīng)用上的潛力,相干(Coherent)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室在一項(xiàng)測(cè)試中,在玻璃薄片上鉆了許多緊密排列的孔。具體來(lái)說(shuō),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(zhǎng),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(zhǎng)是因?yàn)椴A?duì)這個(gè)波長(zhǎng)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(duì)稱的通孔。在厚度較大的情況下,孔會(huì)出現(xiàn)錐度,但通過(guò)從玻璃的兩面連續(xù)鉆孔會(huì)大大改善這種情況。這是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)橥该鞯牟A蛊浜苋菀锥ㄎ徊Aб粋?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(cè)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(gè)吸引人的特點(diǎn)——它使用了光罩投射技術(shù)(mask projection)。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(huì)隨之增加),平行的光罩式鉆孔變得越來(lái)越高效。事實(shí)上,平行鉆孔速度的增加與節(jié)距的平方成正比。顯然,未來(lái)通孔直徑和節(jié)距會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷減小,而這項(xiàng)技術(shù)將能一直發(fā)揮作用,意味著它將“永不過(guò)時(shí)”。

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(jí)芯片規(guī)模封裝(waferlevel chip scale packages,WLCSP)、散出型晶圓級(jí)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(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(lái)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(jià)格昂貴,而且光刻過(guò)程包括多個(gè)花費(fèi)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(huì)造成機(jī)械應(yīng)力。因此,光界定電介質(zhì)的使用可能會(huì)導(dǎo)致翹曲變形和應(yīng)力問(wèn)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(wèn)題都變得更加重要。

為了應(yīng)對(duì)光界定電介質(zhì)的缺點(diǎn)和高成本及其相關(guān)的加工問(wèn)題,一個(gè)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?yàn)樵S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(huì)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(duì)于非感光型介電材料和先進(jìn)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)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(guò)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。

SÜSS MicroTec ELP300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(lái)說(shuō),激光通過(guò)一個(gè)含有所需圖形的光罩來(lái)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(guò)1J)和重復(fù)頻率(300 Hz)能帶來(lái)高的生產(chǎn)效率,并實(shí)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?yàn)榇髢A角圖形兩側(cè)的“死角”會(huì)對(duì)隨后的金屬濺鍍或蒸鍍過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響(圖3)。

 

圖3:不同的激光能量密度會(huì)影響圖形側(cè)壁的傾角,這對(duì)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(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是,它不會(huì)對(duì)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(diǎn)。

傳統(tǒng)上,RDL導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是在一個(gè)多步驟的過(guò)程中建立起來(lái)的。一開(kāi)始通過(guò)金屬濺鍍或蒸鍍?cè)谡麄€(gè)元件表面涂覆一層薄的金屬層(厚度小于500nm)。隨后,這個(gè)“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(lái)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(xiàng)缺點(diǎn),例如圖形的蝕刻和過(guò)度切割可能會(huì)帶來(lái)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(guò)程的生產(chǎn)效率較低,使用的是危險(xiǎn)化學(xué)品,并且不環(huán)保。

與之相反的是,對(duì)于種子金屬下面是有機(jī)保護(hù)層的晶圓來(lái)說(shuō),準(zhǔn)分子激光去除種子層是一種干的一步法過(guò)程。在電鍍和脫膠后,將整個(gè)晶圓表面暴露在一個(gè)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(huì)被燒蝕。然而,薄的種子層不能足夠快地分散能量,因而超過(guò)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(dòng)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(wú)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(lái)向上吹掉上面的薄金屬層。這個(gè)過(guò)程對(duì)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(huì)傳播能量,并且不會(huì)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(dòng)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(huì)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(wú)損(d)。

用準(zhǔn)分子激光去除種子金屬層,能防止過(guò)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(fèi)用,是一個(gè)簡(jiǎn)單的干的過(guò)程,甚至還能實(shí)現(xiàn)燒蝕金屬的回收。另外,基于準(zhǔn)分子的過(guò)程非常快速。例如,當(dāng)使用高功率準(zhǔn)分子激光器(例如300W)時(shí),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(zhǔn)分子激光器,去除種子層的效率能達(dá)到每小時(shí)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(guò)提供更為環(huán)保的構(gòu)造過(guò)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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準(zhǔn)分子激光激光技術(shù)
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