系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 是一種芯片封裝方法,可通過增大晶體管密度來(lái)進(jìn)一步提高計(jì)算能力。隨著半導(dǎo)體特征尺寸收縮速度的放緩,半導(dǎo)體加工尺寸(納米- 微米)和印刷電路板 (PCB) 尺寸(微米- 毫米)之間存在的差距(空間尺度約跨越三個(gè)數(shù)量級(jí))為該行業(yè)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。得益于如此大的尺度差距,技術(shù)人員可以通過多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微型化。從功能上講,SiP 通過將歷來(lái)離散和隔離的元件,如內(nèi)存、邏輯、射頻 (RF) 芯片等,集成到共享印刷電路板 (PCB) 基板上的單一封裝(通常稱為異構(gòu)集成)中,并設(shè)計(jì)必要的相互連接,來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的提升。SiP 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品,例如智能手機(jī),手表、耳機(jī)等可穿戴設(shè)備以及許多其他設(shè)備。
紫外光和綠光波長(zhǎng)的納秒激光器非常適合用于分離 SiP 器件。然而,如果此類激光器無(wú)法承受過多的熱量,則實(shí)際運(yùn)用效果可能會(huì)大打折扣,特別是考慮到這些器件的密度會(huì)變得越來(lái)越大。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),人們傾向于在加工過程中使用更短的脈沖持續(xù)時(shí)間,以便減小熱影響區(qū) (HAZ)。如果封裝使用熱敏粘合介質(zhì),如焊料或粘合劑,就會(huì)出現(xiàn)這種情況,因?yàn)檫@些材料在過多的熱負(fù)荷下可能會(huì)失效。此外,由于 SiP 層壓板內(nèi)存在銅線,可能需要使用超短脈沖 (USP) 激光器進(jìn)行加工,這可能會(huì)產(chǎn)生過多熱量,從而導(dǎo)致出現(xiàn)分層現(xiàn)象??紤]到這些因素,我們使用 MKS/Spectra-Physics IceFyre? GR50 高功率綠光皮秒激光器進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),目的是優(yōu)化 SiP 相關(guān)材料的切割工藝。
圖 1. 用綠光皮秒脈沖切割的 FR4 板(厚度為 200 μm)的入射面(左)和出射面(右)視圖
SiP 板的主要組成部分是薄型(或“超薄型”)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧層壓材料 (FR4),厚度通常為 100-250 μm。由于 FR4 中的玻璃纖維和環(huán)氧樹脂成分不均勻,且具有不同的光學(xué)和熱學(xué)特性,因此對(duì) FR4 進(jìn)行激光切割是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。當(dāng)用激光器加工較厚的 FR4 時(shí),通常須注意避免過度加熱和熔化,這可能導(dǎo)致碳化不良。對(duì)于較薄的 FR4,當(dāng)使用皮秒脈沖寬度時(shí),過度加熱相對(duì)容易避免。圖 1 顯示使用 IceFyre GR50 激光器切割 FR4(厚度為 200 μm)后的入射面和出射面。
圖 2. 圖 1 中切口的 SEM 側(cè)壁視圖,顯示纖維端面僅有輕微熔化
利用激光器在 500 kHz 脈沖重復(fù)頻率 (PRF) 下的 50 W 額定輸出,以及在 4 m/s 的掃描速度下優(yōu)化的高速多次工藝,可使有效切割速度達(dá)到 83 mm/s。入射面顯示僅有少量的碎片沉積,并形成了一個(gè)約 10 μm 的明顯熱影響區(qū) (HAZ)。通過 SEM 成像查看橫截面(圖 2)時(shí),圖像顯示出這是一次高質(zhì)量的切割,可清楚地看到每一根纖維,且只有輕微的熔化跡象
圖 3. FR4 切口的 SEM 側(cè)壁視圖,顯示出卓越的切割質(zhì)量,且纖維熔化程度非常低。
對(duì)于使用 USP 激光器進(jìn)行的許多工藝,通??梢詫?duì)高質(zhì)量結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的改善,以達(dá)到更高的質(zhì)量水平。例如,如果打算在切割 FR4 時(shí)進(jìn)一步減少玻璃纖維的熔化量,那么進(jìn)行諸如降低激光脈沖能量或 PRF、增大光束掃描速度等調(diào)整,可以達(dá)到理想的預(yù)期效果,如圖 3 所示。
這一結(jié)果清楚地表明,USP 激光器可以在敏感材料中產(chǎn)生出色的切割效果,而且熱化程度非常低。
圖 4. 較高速度切割結(jié)果的激光入射面顯微鏡圖像,顯示表面切割質(zhì)量出色,但在埋入銅線的周圍存在發(fā)熱現(xiàn)象。
在展示出卓越的薄型 FR4 切割能力并確定可實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量后,該激光器隨后被用于切割薄型 SiP PCB 基板材料。該材料由超薄型 FR4(約 100 μm 厚)和聚合物阻焊保護(hù)層組成,兩面均層壓,并包括沿預(yù)定切割路徑分層的間歇性內(nèi)嵌銅線。所有層的總厚度為 200 μm。由于存在包含內(nèi)嵌銅線的多個(gè)層,預(yù)計(jì)對(duì)一些工藝進(jìn)行微調(diào)將有助于實(shí)現(xiàn)最佳質(zhì)量結(jié)果。因此,在確定以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量為目標(biāo)的工藝后,對(duì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,以專注于提高質(zhì)量結(jié)果。
結(jié)果表明,這樣的做法頗有成效。在全功率運(yùn)行激光器以進(jìn)行高速加工的情況下,切割入射面的俯視顯微鏡照片(圖 4)表明,內(nèi)嵌銅線確實(shí)對(duì)切割質(zhì)量有一定的影響。雖然表面質(zhì)量總體優(yōu)秀,切邊質(zhì)量良好,并且僅有一個(gè)小的碎片區(qū),但有證據(jù)表明,銅層周圍的過度加熱導(dǎo)致其周圍的聚合物 FR4 材料被輕微侵蝕,從而導(dǎo)致銅線從側(cè)壁輕微突出。該工藝的有效切割速度為 57 mm/s。
因此,盡管以產(chǎn)量為中心的工藝通常能實(shí)現(xiàn)良好的質(zhì)量,但仍有改進(jìn)的空間。將激光功率水平調(diào)低 50%,并對(duì)其他各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使質(zhì)量得到了進(jìn)一步改善,如圖 5 所示。該結(jié)果是在凈切割速度為 38 mm/s 的情況下實(shí)現(xiàn)的。因此,在充分利用功率的情況下(例如,使用雙光束分光配置),整體的綜合切割速度相當(dāng)于 76 mm/s,比單光束在全功率下的速度高 33%。
圖 5. 使用 50% 的激光功率進(jìn)行切割的入射面圖像顯示,在使用全功率時(shí)已經(jīng)取得了良好的效果。
圖 5 中的左側(cè)圖像為表面聚合物層的圖像,與全功率結(jié)果相比,僅有輕微碎片沉積,且切割路徑未出現(xiàn)偏差。同樣地,右側(cè)圖像顯示,在遠(yuǎn)離切口邊緣的方向上,埋入的銅線僅有幾乎無(wú)法檢測(cè)到的突起。通過查看激光切口的側(cè)壁橫截面,可以進(jìn)一步了解結(jié)果的質(zhì)量,如下圖 6 中的 SEM 圖像所示。
圖 6. SEM 圖像顯示使用 50% 的激光功率進(jìn)行切割的 SiP 板側(cè)壁。
SEM 圖像顯示,使用 50% 的激光功率時(shí),側(cè)壁燒蝕程度非常低。優(yōu)異的質(zhì)量具有顯而易見的明確指標(biāo),如個(gè)別纖維端面可檢測(cè)到無(wú)熔化 / 低熔化,層間無(wú)分層,銅線燒蝕程度低,且銅線內(nèi)及周圍無(wú)熔化或變形。
對(duì)于外形尺寸不斷縮小的電子器件,SiP 架構(gòu)能夠提升其性能,而通過激光器分離封裝器件是一項(xiàng)非常重要的工作。盡管納秒脈沖激光器有時(shí)可以滿足要求,但密集封裝的集成電路與各種子封裝元件之間的近距離會(huì)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。利用 USP 激光技術(shù),特別是綠光(和紫外光或 UV)激光器,可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。通過細(xì)致的激光和工藝參數(shù)調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)卓越的切割質(zhì)量,且僅會(huì)實(shí)現(xiàn)最低限度的熱影響。
IceFyre 工業(yè)皮秒激光器
IceFyre GR50 在 500 kHz 且脈沖能量 >100 μJ 時(shí)提供 >50 W 的綠光輸出功率。IceFyre UV50 是市面上表現(xiàn)優(yōu)異的紫外皮秒激光器,在 1.25 MHz (>40 μJ) 時(shí)提供 >50 W 的紫外輸出功率,脈沖串模式下的脈沖能量為 100 μJ,脈沖寬度為 10 ps。IceFyre UV50 設(shè)定了從單次激發(fā)到 10 MHz 的功率和重復(fù)率的新標(biāo)準(zhǔn)。IceFyre UV30 提供 >30 W 的典型紫外輸出功率,脈沖能量 >60 μJ(脈沖串模式下脈沖能量更大),具有從單次激發(fā)到 3 MHz 的優(yōu)異性能。IceFyre IR50 在 400 kHz 單脈沖時(shí)提供 >50 W 的紅外輸出功率,具有從單脈沖到 10 MHz 的優(yōu)異性能。IceFyre 激光器的獨(dú)特設(shè)計(jì)利用光纖激光器的靈活性和 Spectra-Physics 獨(dú)有的功率放大器能力,實(shí)現(xiàn) TimeShift ps 可編程脈沖串模式技術(shù),可提供業(yè)內(nèi)較高的多功能性。每臺(tái)激光器均配備一組標(biāo)準(zhǔn)波形;可選的 TimeShift ps GUI 可用于創(chuàng)建自定義波形。該激光器的設(shè)計(jì)可為高掃描速度的優(yōu)質(zhì)加工(例如使用多面掃描鏡)實(shí)現(xiàn)同類激光器中時(shí)間抖動(dòng)極其低的按需脈沖 (POD) 和位置同步輸出 (PSO) 觸發(fā)功能。
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