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    激光旋切鉆孔技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用

    引言

    隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展,高準(zhǔn)確度微小孔應(yīng)用在各行業(yè)中,其發(fā)展趨勢是孔徑小、深度大、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用材料廣泛(如高強度、高硬度、高韌性、高熔點的金屬、陶瓷、玻璃、高分子材料、晶體等物質(zhì))。傳統(tǒng)的微孔加工技術(shù)主要包括機械加工、電火花、化學(xué)腐蝕、超聲波打孔等技術(shù),這些技術(shù)各有特點,但已經(jīng)無法滿足更高的微孔加工需求。比如,機械加工對高硬度、高脆性的材料效率很低,很難加工小于0.2mm的孔;電火花只能加工金屬材料。激光打孔具有效率高、極限孔徑小、準(zhǔn)確度高、成本低、幾乎無材料選擇性等優(yōu)點,現(xiàn)已成為微孔加工的主流技術(shù)之一。

    激光旋切鉆孔技術(shù)

    當(dāng)前激光鉆孔最常用的加工方式為振鏡掃描,可逐層環(huán)切掃描或螺旋掃描,但振鏡掃描的不足之處是無法避免錐度,如圖1所示,在制孔過程中,由于聚焦激光光束的發(fā)散和多次反射現(xiàn)象,材料燒蝕速率會隨著制孔深度的增加急劇下降。因此,在較厚材料上制備較大深徑比的微孔更有難度。

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    圖1 在淺孔和深孔加工時的多次反射[1]

    因此,得到高深徑比(≧10:1)、加工質(zhì)量高、零錐甚至倒錐的微孔是具有挑戰(zhàn)的,對于此類需求,最合適的加工方法是采用旋切頭模組,這種旋切頭不但可以使光束繞光軸高速旋轉(zhuǎn),還可改變光束相對材料表面的傾角β,改變β值就可實現(xiàn)從正錐到零錐甚至倒錐的變化。當(dāng)前常用的旋切頭模組集中在四光楔掃描頭、道威棱鏡掃描頭和平行平板掃描頭,他們的光學(xué)原理大同小異,通過光學(xué)器件使進入聚焦鏡的光束進行適當(dāng)?shù)钠揭坪蛢A斜,依靠高速電機的旋轉(zhuǎn)使光束繞光軸旋轉(zhuǎn),如圖2所示。

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    圖2 不同錐度的孔的成形原理[2]

    圖3為四光楔掃描裝置光路圖,圖中左側(cè)兩個大角度光楔可以實現(xiàn)入射光束的平移,改變二者間距可以調(diào)整加工孔錐度;右側(cè)兩個小角度光楔組合實現(xiàn)人射光束的角度偏轉(zhuǎn),使聚焦后的光斑偏離聚焦鏡光軸。工作時,四個光楔依靠伺服電機同步旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)焦斑繞聚焦鏡光軸旋轉(zhuǎn)掃描去除該圓周上的材料,同時沿光軸方向微量進給,最終實現(xiàn)不同孔徑、錐度和深度的圓孔加工。為了實現(xiàn)四個光楔的同步旋轉(zhuǎn)和左側(cè)兩光楔的間距調(diào)整,該裝置一般采用復(fù)雜的鼠籠式結(jié)構(gòu)。

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    圖3 四光楔掃描裝置系統(tǒng)[2]

    圖4為道威棱鏡掃描系統(tǒng)光路圖,道威棱鏡安裝到一個高速旋轉(zhuǎn)的空心力矩電機上,棱鏡旋轉(zhuǎn)一次可使激光旋轉(zhuǎn)掃描兩次。準(zhǔn)直后的激光東經(jīng)過前端的角度偏轉(zhuǎn)和橫向平移后進入道威棱鏡和調(diào)整光楔,最后通過聚焦鏡聚焦到工作平面,實現(xiàn)環(huán)切掃描鉆孔。三個光楔通過偏擺和旋轉(zhuǎn)補償?shù)劳忡R的加工、裝配誤差,這種裝置可實現(xiàn)光斑2倍于轉(zhuǎn)速的自轉(zhuǎn),避免了光斑質(zhì)量對孔質(zhì)量的影響,但對道威棱鏡的加工準(zhǔn)確度和裝配準(zhǔn)確度要求很高,后續(xù)的三光楔補償調(diào)整結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜,對于批量生產(chǎn)的工程應(yīng)用具有一定的局限性。

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    圖4 道威棱鏡旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)[2]

    圖5為平行平板掃描系統(tǒng)光路圖,把平行平板代替了四光楔模組中的平移光楔,將平行平板按照一個固定角度傾斜放置來產(chǎn)生光束的平移,其最大優(yōu)點是成本較低和使用壽較長, 缺點是加工不同錐度的錐孔時,需要調(diào)節(jié)平行平板的傾角,必須將平行平板重新安裝,而且由于加工時震動的存在,橫向位移的精度不易保證。

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    圖5 平行平板掃描系統(tǒng)[3]

    旋切鉆孔技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用

    1. 探針卡(Probe card)

    探針卡是晶圓測試中被測芯片和測試機之間的接口,主要應(yīng)用于芯片分片封裝前對芯片電學(xué)性能進行初步測量,并篩選出不良芯片后,再進行之后的封裝工程。它對前期測試的開發(fā)及后期量產(chǎn)測試的良率保證都非常重要,是晶圓制造過程中對制造成本影響相當(dāng)大的重要制程。

    隨著芯片的設(shè)計越來越小,密度越來越大,這就要求探針卡越來越多的針數(shù),相鄰針尖間距從毫米及發(fā)展到幾十微米,導(dǎo)盤的孔徑和孔間距也必須相應(yīng)的越來越小,同時矩形和不規(guī)則形狀的孔也是一種趨勢。當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的探針卡是懸臂梁方式的環(huán)氧探針卡,高端器件用的芯片測試仍采用進口的垂直探針卡。

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    圖6 探針導(dǎo)向板的上蓋(UD)和下蓋(LD)

    圖6為垂直式探針卡導(dǎo)向板的上蓋(UD)和下蓋(LD)。探針導(dǎo)向板微孔參數(shù)分別由芯片設(shè)計的測試點設(shè)置、所用的探針直徑而定,一般而言,加工孔徑20-200μm,孔間距40-200μm,厚度0.1-1mm,孔型孔壁要求垂直,位置精度高。導(dǎo)向板材質(zhì)多為陶瓷和氮化硅(Si3N4),氮化硅被越來越多的應(yīng)用于新一代探針卡,但氮化硅極高的硬度使得它無法像傳統(tǒng)可加工陶瓷一樣采用機械加工,而常規(guī)的激光打孔方式也無法滿足要求。

    而激光旋切鉆孔技術(shù)則很好的解決了上述問題,既不受材料限制,又可加工高深徑比的無錐度孔。英諾激光利用自主開發(fā)的激光旋切鉆孔技術(shù)對探針卡微孔加工做了大量研究與實驗,當(dāng)前可實現(xiàn)最小孔徑25μm,深徑比≧10:1,最大厚度達1mm的加工能力,圖7和圖8為英諾激光在Si3N4材料所鉆微孔的顯微照片。除圓孔外,還可加工某些探針卡需求的方孔,最小尺寸可達35×35μm,R角≦6μm,并且無錐度。圖9為50×50μm的方形孔,R角約6μm。

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    圖7 孔徑45μm顯微照片

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    圖8 側(cè)壁SEM照片

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    圖9 探針卡50×50μm方形孔

    2. 立針(Bonding wedges)

    在半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)中有一段制程為打線接合(Wire bonding),利用線徑15-50μm的金屬線材將芯片(chip)及導(dǎo)線架(lead frame)連接起來的技術(shù),使微小的芯片得以與外面的電路做溝通,而不需要增加太多的面積。而接合方式又分為楔形接合和球形接合,立針則主要用于楔形接合,可讓線材穿過其中,類似縫紉機中的針,線材穿過位在打線機臺上的針嘴,穿出針嘴的線材在芯片端經(jīng)過下壓完成第一焊點后,線材就會與芯片上的基板連結(jié),機器手臂上升將線引出針嘴,再將線材移往第二焊點,一邊下壓一邊截斷線材,完成一個循環(huán),緊接著再繼續(xù)下一打線接合的循環(huán),如圖10所示。

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    圖10 楔形接合過程[4]

    立針材質(zhì)一般有鎢鋼、鈦合金、陶瓷等,圖11為立針針尖典型形貌,圖中標(biāo)紅位置為一個孔徑約50μm的微孔,當(dāng)前其加工方式多為電火花,但電火花加工存在效率低,側(cè)壁易產(chǎn)生重鑄層等不足,但采用激光旋切鉆孔技術(shù)搭配超快激光器則可避免上述問題,圖12為英諾激光使用激光旋切鉆孔技術(shù)加工的針尖處微孔。

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    圖11 立針針尖典型形貌[5]

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    圖12 激光旋切鉆孔技術(shù)制得立針針尖微孔

    總結(jié)

    激光旋切鉆孔技術(shù)有著加工孔徑小、深徑比大、錐度可調(diào)、側(cè)壁質(zhì)量好等優(yōu)勢,雖然該技術(shù)原理簡單,但其旋切頭結(jié)構(gòu)往往較復(fù)雜,對運動控制要求較高,所以有一定的技術(shù)門檻,并且因成本較高也限制了其廣泛應(yīng)用。近幾年隨著芯片制程由7nm向5nm發(fā)展以及5G時代的來臨,半導(dǎo)體行業(yè)對所用器件體積越來越小的訴求是可以預(yù)見的,激光旋切鉆孔技術(shù)作為先進的制孔方式,與機械加工和電火花加工相比優(yōu)勢明顯,將有助于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

    參考文獻

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    2020-08-18
    激光旋切鉆孔技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用
    隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展,高準(zhǔn)確度微小孔應(yīng)用在各行業(yè)中,其發(fā)展趨勢是孔徑小、深度大、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用材料廣泛(如高強度、高硬度、高韌性、高熔點的金屬、陶瓷、玻璃、高分子材料、晶體等物質(zhì))。

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