準(zhǔn)分子激光器在鉆孔中的應(yīng)用

羅士達(dá)

[摘? ? 要]隨著5G技術(shù)的來(lái)臨，手機(jī)等電子產(chǎn)品持續(xù)向著輕薄化的方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)芯片與PCB電路微型化的需求加劇，小于20 μm，甚至10 μm以?xún)?nèi)的鉆孔需求越來(lái)越多，傳統(tǒng)的CO2激光器只能處理50 μm以上的鉆孔，而DPSS則只能處理20 μm以上的鉆孔，準(zhǔn)分子激光器則可以完成這類(lèi)微型孔徑的鉆孔，而且錐度可達(dá)9°。而新一代高密度芯片與PCB的主流發(fā)展方向是基于玻璃基板制作，準(zhǔn)分子激光器也被試驗(yàn)證實(shí)，適用于此類(lèi)玻璃載板的鉆孔。

[關(guān)鍵詞]準(zhǔn)分子激光;鉆孔;玻璃貫通電極（TGV）;深度控制;玻璃載板

[中圖分類(lèi)號(hào)]TN248 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–03

Application of Excimer Laser in Drilling

Luo Shi-da

[Abstract]With the advent of 5g， mobile phones and other electronic products continue to develop to thin， the market demand for chips and PCB circuit miniaturization is increasing， less than 20% μm. Even 10 μm The traditional CO2 laser can only process more than 50 μm holes， while DPSS can only process more than 20 μm holes. Excimer laser can complete this kind of micro aperture drilling， and the taper can reach 9°.The mainstream development direction of the new generation of high-density chip and PCB is based on glass substrate. Excimer is also confirmed by experiments， which is suitable for drilling such glass carrier.

[Keywords]excimer laser; Drilling; Glass through electrode （TGV）; Depth control; Glass carrier

隨著技術(shù)的發(fā)展，芯片微型化的需求加劇，市場(chǎng)催生出越來(lái)越多的微加工需求，而無(wú)論是在半導(dǎo)體芯片上不斷向更小的納米線寬進(jìn)發(fā)，還是在手機(jī)上向5G和超薄進(jìn)發(fā)，都深深依賴(lài)于加工設(shè)備的微處理能力。新生技術(shù)需要越來(lái)越小的孔，越來(lái)越細(xì)的切割線，越來(lái)越復(fù)雜的雕刻結(jié)構(gòu)。而這一切都不再是不斷縮短脈寬就能夠解決的。這些需求需要的是不斷向深紫外進(jìn)發(fā)的波長(zhǎng)：351 nm（XeF），308 nm（XeCl），248 nm（KrF），193 nm（ArF），157 nm（F2）。衍射極限決定了激光挖孔直徑變小的極限，波長(zhǎng)與衍射極限正相關(guān)，波長(zhǎng)越短，衍射極限也就越小，所能聚焦的光斑也就越小，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的激光加工。不光是在電子消費(fèi)市場(chǎng)，半導(dǎo)體、醫(yī)療、汽車(chē)等領(lǐng)域都對(duì)微米級(jí)的微加工提出了更多需求。

1 準(zhǔn)分子激光器鉆孔方案

準(zhǔn)分子激光器可以與DPSS一樣，搭配掃描振鏡工作，但在絕大多數(shù)應(yīng)用不會(huì)采用振鏡掃描的方式，在一些應(yīng)用中會(huì)整形成特殊形狀或者拉成一條線，對(duì)大幅面產(chǎn)品進(jìn)行掃描，如OLED加工中的ELA（Excimer Laser Annealing）。通過(guò)準(zhǔn)分子激光器對(duì)顯示面板進(jìn)行整行掃描，將單晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅，極大地提升顯示效果。在其他更多應(yīng)用中，則是采用Mask（掩膜版）的方式進(jìn)行加工，如圖1所示。在準(zhǔn)分子的鉆孔應(yīng)用中正是使用這種掩膜版鉆孔的方式。準(zhǔn)分子激光器發(fā)出深紫外激光，經(jīng)過(guò)掩膜版塑形，隨后聚焦后被加工樣品吸收，此類(lèi)樣品通常由上下兩層或者以上組成。下層為基底或者導(dǎo)體，上層則通常為聚合物。顯示、芯片、3C等行業(yè)所需鉆孔的樣品多為此類(lèi)結(jié)構(gòu)。

準(zhǔn)分子激光器在鉆孔中有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：①準(zhǔn)分子波長(zhǎng)在深紫外，聚焦的光斑更小，鉆出孔的直徑更小;②同樣是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)短，其能加工的材料也就更多，許多在可見(jiàn)波段、紅外波段高透射的材料，往往在深紫外都有極高的吸收率，比如玻璃。③使用掩膜版的方式加工，就像是“蓋章”，每一次脈沖或者加工得到的效果都一樣，一致性非常高。除此之外，準(zhǔn)分子激光器還有深度可控以及不傷基底等優(yōu)勢(shì)。

詳細(xì)的準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)光路如圖2所示。

（1）準(zhǔn)分子激光器：在鉆孔中通常會(huì)選用193 nm或者248 nm，并根據(jù)需求選擇不同能量的激光器，選擇這兩個(gè)波長(zhǎng)的主要原因是考慮到不同材料的吸收率，在這兩個(gè)波長(zhǎng)通常接近100%。在能量上，以相關(guān)公司為例，提供10 mJ～5 J的激光器可供選擇。且準(zhǔn)分子激光器不需要倍頻，直接產(chǎn)生深紫外激光，相對(duì)于DPSS激光器，性能更加穩(wěn)定。

（2）衰減器：由于準(zhǔn)分子激光的輸出能量較大，針對(duì)某些材料需要使用衰減器進(jìn)行能量衰減。

（3）擴(kuò)束器：同樣是因?yàn)闇?zhǔn)分子激光器輸出能量較大，可以實(shí)現(xiàn)大面積的同時(shí)加工，在搭建系統(tǒng)的過(guò)程中通常會(huì)將準(zhǔn)分子激光進(jìn)行擴(kuò)束，從而覆蓋更大的加工面積。

（4）光斑勻化器：通常會(huì)使用2n+1的柱透鏡陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)分子激光器輸出的光斑原本就是近似平頂光斑，而經(jīng)過(guò)勻化器之后，光斑會(huì)變的更加均勻，從而進(jìn)一步提升加工的一致性和精度。

（5）掩膜版：激光系統(tǒng)加工的主要部件，通常使用鉻版制作。準(zhǔn)分子激光經(jīng)過(guò)掩膜版后形成所要加工的形狀。

（6）聚焦鏡頭：鏡頭將塑形后的準(zhǔn)分子激光按照比例縮放到合適的大小，隨后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工。

2 準(zhǔn)分子激光器鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)上述光路的分析，使用準(zhǔn)分子激光器對(duì)不同的材料進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了最低1 μm的鉆孔直徑。

如圖3（a）所示，通過(guò)對(duì)5 μm厚的聚合物鉆孔，實(shí)現(xiàn)了3 μm的鉆孔直徑。針對(duì)25 μm厚的PI層，實(shí)現(xiàn)了1μm的直徑的鉆孔。針對(duì)WPR5100在RDL結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了15 μm的鉆孔。

首先是鉆孔直徑，準(zhǔn)分子激光器實(shí)現(xiàn)了低于15 μm，甚至到1 μm的鉆孔直徑。在鉆孔應(yīng)用之中，CO2激光器通常可以實(shí)現(xiàn)60～130 μm直徑的鉆孔，DPSS激光器可以實(shí)現(xiàn)25～75 μm直徑的鉆孔。而準(zhǔn)分子卻可以實(shí)現(xiàn)1～30 μm直徑的鉆孔。

如圖4所示，準(zhǔn)分子激光在鉆孔中，脈沖數(shù)與鉆孔深度幾乎成線性關(guān)系。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，準(zhǔn)分子激光器的單個(gè)脈沖移除深度一致，根據(jù)脈沖能量與材料的不同，為50～1000 nm。

準(zhǔn)分子激光器每個(gè)脈沖都會(huì)消融定量的厚度，可以通過(guò)脈沖數(shù)，可精確地控制鉆孔深度。典型的準(zhǔn)分子激光消融效率為0.3 μm/pulse，若預(yù)期鉆孔深度為6 μm。所需脈沖數(shù)計(jì)算方式為：

5 μm深度/0.30 μm消融率=20個(gè)脈沖

通過(guò)20個(gè)脈沖即可嚴(yán)格控制鉆孔深度，一致性高。同理，只要是確定了消融率與鉆孔深度，通過(guò)簡(jiǎn)單的脈沖數(shù)計(jì)算，即可嚴(yán)格控制鉆孔深度。

準(zhǔn)分子激光由于是平頂光斑，鉆孔錐度天然較高，而且基于大量的試驗(yàn)證實(shí)，脈沖能量越大，鉆孔錐度越小。如圖5所示，當(dāng)脈沖能量密度為376 mJ/cm2，經(jīng)過(guò)45個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)7 μm的鉆孔厚度，錐度為25°，當(dāng)能量密度為822 mJ/cm2，鉆孔錐度為16°，當(dāng)能量密度為1200 mJ/cm2，鉆孔錐度則達(dá)到了9°。DPSS激光器由于其高斯波前，無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的自然鉆孔錐度。

同樣由于準(zhǔn)分子為平頂光斑，以及準(zhǔn)分子激光器的選擇性消融，準(zhǔn)分子激光器在消融的過(guò)程中可以做到不傷基底。如圖6所示，在消融上層聚合物的過(guò)程中，充分移除了上層的聚合物，卻并不會(huì)破壞下層的銅板。

在精密鉆孔過(guò)程中，CO2與DPSS激光器通常對(duì)銅板上最后的10 μm束手無(wú)策，需要使用其他方式進(jìn)行移除，若是過(guò)度鉆孔，會(huì)傷到基底。而準(zhǔn)分子激光器卻不受此困擾?？梢酝耆诰酆衔?，并確保銅板基底不會(huì)受到傷害。

3 下一代玻璃載板芯片的鉆孔

隨著電子科技的向前發(fā)展，半導(dǎo)體正從二維的電路板和芯片向三維發(fā)展。2.5D、3D封裝也不斷涌現(xiàn)。而玻璃載板由于其成本

低、剛性強(qiáng)、表面平整度高等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代芯片的理想載板。經(jīng)過(guò)不斷的研究，玻璃載板還具有極為優(yōu)秀的電學(xué)性能，讓其更加適合高密度的2.5D與3D封裝。同時(shí)，也有研究表明，玻璃基的RDL（Redistribution Layer）由于介電常數(shù)低，在高頻時(shí)相較于硅基更加優(yōu)良。

而準(zhǔn)分子激光器在TGV（玻璃通孔）/TPV（熱塑性硫化橡膠）中鉆孔中表現(xiàn)出良好的效果，并且已經(jīng)通過(guò)HAST（老化測(cè)試）。

如圖7所示，玻璃對(duì)可見(jiàn)和紅外的透過(guò)率通常很高，而在深紫外尤其是小于210 μm時(shí)透過(guò)率已經(jīng)接近于零，吸收率非常高。

無(wú)論是有堿玻璃還是無(wú)堿玻璃在準(zhǔn)分子193 nm波長(zhǎng)附近的吸收率都接近了100%。所以193 nm極為適合用來(lái)對(duì)玻璃進(jìn)行鉆孔。

如圖8（a）所示，通過(guò)193 nm準(zhǔn)分子對(duì)100 μm厚的玻璃鉆通孔，入孔直徑為20 μm，出孔直徑為16 μm。錐度極好，通過(guò)顯微鏡對(duì)側(cè)剖面的觀察，孔壁十分光滑，沒(méi)有微米級(jí)的損傷?？咨畋龋▽?zhuān)控深度除以鉆孔直徑）超過(guò)了5。而對(duì)比圖8（b），通過(guò)355 nmDPSS激光器鉆孔的結(jié)果則更像是一個(gè)不規(guī)則的火山口，入孔直徑157 μm，出孔直徑92 μm，無(wú)論是入孔還是出孔的結(jié)構(gòu)都不規(guī)則，孔壁也不光滑，損傷較大，且不可控。由此可見(jiàn)，無(wú)論是從鉆孔的精度控制，能實(shí)現(xiàn)的鉆孔的最小孔徑，錐度還是表面光滑程度來(lái)對(duì)比，準(zhǔn)分子激光器都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于DPSS激光器。更適合玻璃載板鉆孔的應(yīng)用。

除此之外，還發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)分子激光器的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)準(zhǔn)分子激光器處理的玻璃表面得到了活化，更適合做銅離子的沉積，這也極大地方便了后道工序的進(jìn)行。

無(wú)論是193 nm的波長(zhǎng)、平頂光斑、表面活化還是衍射極限，等等，準(zhǔn)分子在玻璃載板的處理中都表現(xiàn)出了充分的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的深紫外激光對(duì)絕大多數(shù)的材料來(lái)講，吸收率都很高，這讓準(zhǔn)分子激光適用于絕大多數(shù)材料的鉆孔。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的測(cè)試和驗(yàn)證，準(zhǔn)分子激光衍射極限更小，可以處理更精細(xì)的鉆孔，孔徑最低可達(dá)1 μm，滿(mǎn)足電子芯片越來(lái)越密集與精細(xì)的要求。同時(shí)相對(duì)于其他類(lèi)型激光器，準(zhǔn)分子激光器不但處理的孔徑更小、錐度更小，還能實(shí)現(xiàn)厚度可控、不傷基底，甚至實(shí)現(xiàn)表面活化的效果。掩膜版的加工方式讓準(zhǔn)分子的加工一致性、穩(wěn)定性、可控性更加優(yōu)良，適用大規(guī)模生產(chǎn)。以上種種優(yōu)勢(shì)都在準(zhǔn)分子激光的玻璃載板鉆孔中得到印證，為即將到來(lái)的高密度芯片時(shí)代做好技術(shù)準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁培，張曉波，王珂.印刷電路板雙向脈沖鍍銅可編程開(kāi)關(guān)電源研制[J].電鍍與精飾，2019，41（3）：31-35.

[2] 張家亮.光電印制電路板的發(fā)展評(píng)述（2）——光電印制電路板用光波導(dǎo)材料（下）[J].印制電路信息，2007（1）：8-12.

[3] 吳海鴻，任玉龍，徐健，等.玻璃基RDL傳輸線的特征阻抗與損耗研究[J].電子與封裝，2018，18（12）：3-9.

[4] 錢(qián)州強(qiáng).基于TGV/IPD工藝的功率分配器研究與設(shè)計(jì)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2019.

[5] 郭育華，王強(qiáng)文，劉建軍，等.玻璃通孔的高頻傳輸性能[J].微納電子技術(shù)，2021（1）：91-96.