SiP（系統(tǒng)封裝）正迅速成為一種重要的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，它能以極小的體積提供強大的功能?？纱┐髦悄茈娮友b備是最早廣泛利用該技術(shù)微型化優(yōu)勢的消費產(chǎn)品。

SiP 設(shè)備通常由有源和無源電子元件組成，所有元件安裝在表面包含銅引線的陶瓷基板上，該陶瓷基板用作接地層。整個組件封裝在模塑料中。而模塑料涂有導(dǎo)電層，作為電磁屏蔽層。整個 SiP 設(shè)備的厚度通常約為 1 mm，而模塑料的厚度通常只有該值的一半。

在批量生產(chǎn)中，多個 SiP 設(shè)備會被裝配到單塊基板上（通常是 FR4 或陶瓷基板），然后再被切割（分割）為單個元件。在某些情況下，甚至還會在單個元件的模塑料上開槽（切割前），一直延伸至接地層。上述步驟會在覆蓋涂層之前完成，以便后續(xù)鍍膜能將 SiP 子區(qū)域完全包覆。這樣一來，SiP 的各部分電路就不會相互干擾。

無論是進行切割還是開槽，切口的位置和深度都必須精確無誤，并且沒有碎屑。此外，任何熱效應(yīng)和切割過程中產(chǎn)生的多層基板分離，陶瓷層出現(xiàn)微裂紋都可能會對這些即將要集成到高端智能手機、平板電腦或可穿戴式電子產(chǎn)品中的設(shè)備帶來不可接受的風(fēng)險。

傳統(tǒng)切割方法采用的是金剛石鋸片。但實現(xiàn) SiP 切割，機械加工方式具有比較明顯的局限性。其中包括在切割過程中出現(xiàn)基板碎裂和分層，以及產(chǎn)生較大的碎屑。所有這些問題最終可能導(dǎo)致裝置發(fā)生故障。雖然可以采用后續(xù)加工技術(shù)去除切割碎屑，但由于碎屑大小和數(shù)量不同，殘余材料仍可能在清理之后附著在元件上。

鋸切的另一個缺點是只能進行直線切割，不能在裝置上完成曲線、輪廓或切口切割。但由于 SiP 的結(jié)構(gòu)設(shè)計受空間尺寸限制，結(jié)構(gòu)比較緊湊，它們的形狀通常非常復(fù)雜且不規(guī)則，有時還帶有切口。

此外，機械切割還有經(jīng)濟方面的不利因素，因為它會降低材料加工利用率。具體來說，鋸切會在切口附近產(chǎn)生相對較大的鋸縫和加工影響區(qū)域。于是就需要在單個元件中預(yù)留足夠的空間距離，從而避免加工過程中的損壞。但由于元件間距大，使得同樣面積里布置的元件數(shù)量就會減少，所以會增加元件最終的單位成本。

激光代表了目前唯一能夠全部滿足 SiP 分離，開槽以及指紋傳感器切割要求的切割技術(shù)。水注切割法可能會因切割期間封裝層間進水而導(dǎo)致封裝失敗。

到目前為止，具有納秒級脈寬的固體激光器一直都是 SiP 切割所用的主要工具。但這類激光器是通過光熱作用去除材料（圖 1）。在這類加工過程中，聚焦的激光束是一種高密度、高強度的熱源。加工材料被迅速加熱，最終變?yōu)檎羝ㄆ?。這種加工方式會造成某種程度的周邊熱影響區(qū)域 (HAZ) 損壞（比如表面涂層剝離、細微裂縫或部分材料屬性改變），并會產(chǎn)生重融材料和碎片。

納秒激光器可輸出紅外、綠色和紫外 (UV) 波長。UV 通常是這類切割應(yīng)用的首選激光，因為相對于較長的波長（綠光、紅外光），利用 UV 輸出可最大程度地減小 HAZ 面積。這是因為 UV 光會被大部分材料強吸收，因此不會滲透至基板內(nèi)部。

 圖 1：超快加工和長脈寬激光器加工之間的主要差異示意圖。

在封裝切割應(yīng)用領(lǐng)域，工作波長為 532 nm（綠光）的皮秒級超短脈沖 (USP) 激光通?？僧a(chǎn)生良好的加工效果，因此正逐漸成為 UV 納秒級激光的替代技術(shù)。這是因為其超短脈寬可產(chǎn)生極高的峰值功率（兆瓦以上）。這種高峰值功率可使加工材料的化學(xué)鍵瞬間斷裂。此外，由于激光器僅在極短的時間內(nèi)工作， 材料中的電子無法將其以熱能傳輸?shù)骄Ц裾駝右援a(chǎn)生熱能。這種工藝組合也因HAZ 最小被稱為冷加工（圖2）。另外，綠光皮秒超短脈沖激光器加工產(chǎn)生的碎屑小而少，只需采用非常經(jīng)濟的清理方法即可清除。

為何使用綠光？類似于傳統(tǒng)納秒級激光器，新型皮秒超短脈沖激光器也可輸出紅外光、綠光和紫外光。但在封裝切割方面，綠光方案明顯優(yōu)于紅外，因為長波長可能造成許多常用的復(fù)合基板（如 FR4） 燒蝕或炭化。雖然紫外激光的切割質(zhì)量要高于綠激光，但由于目前市場上可用的紫外皮秒超短脈沖激光器的功率較低，所以產(chǎn)能較小。因此綜合考慮切割質(zhì)量和成本，綠光無疑是最佳首選。綠光代表最佳的切割質(zhì)量和切割速度組合。

圖 2.“深黃”，使用納秒激光器和超短脈沖激光器（紫外光加工）刻劃的 30 µm 厚的聚酰亞胺層。納秒激光器的加工速度為 66 mm/s，超短脈沖 激光器的切割速度為 193 mm/s。納秒激光器產(chǎn)生大面積的熱影響區(qū)域（上圖中變深的區(qū)域），而超短脈沖激光器則沒有產(chǎn)生熱影響區(qū)域，而且切割寬度遠小于納秒激光器。注意兩張圖片的比例尺差異。  

實用的切割激光器

對于這些切割應(yīng)用，相干公司提供具有充足功率輸出的納秒和皮秒級超短脈沖激光器。相干公司的40W AVIA NX 納秒級紫外固體激光器已廣泛用于半導(dǎo)體封裝切割領(lǐng)域。相干公司還提供了功率更高的50W AVIA NX 激光器，功率的增加使切割速度更快。但是，受限于激光 / 材料相互作用的熱元件，在速度和切割質(zhì)量之間要有所取舍。具體來說，功率越高，切割速度越快，但也會產(chǎn)生較大的碎屑。

相干公司的 HyperRapid NX（圖 3）為皮秒級超短脈沖激光器，具有 50W 的綠光輸出（532 nm）。切割 1.2 mm 厚的 SiP 設(shè)備，其切割速度可與 40W 紫外納秒級激光器相當(dāng) - 通常是 10 mm/s 左右。對于諸如指紋傳感器等較薄的結(jié)構(gòu)（0.45 mm），綠光皮秒級超短脈沖激光器的切割速度明顯要快。尤其是它能達到超過 75 mm/s 的產(chǎn)能，而 40W 紫外納秒級激光器的產(chǎn)能只有該值的三分之一左右。

盡管超短脈沖激光器通常能為先進封裝應(yīng)用領(lǐng)域帶來更好的加工效果，但目前僅在微電子產(chǎn)品行業(yè)廣泛使用。過去幾年，相干公司等企業(yè)大幅提高了激光器的性能和可靠性，進而降低了其擁有成本。此外， 相干公司的 HyperRapid NX 系列超短脈沖激光器采用多種先進的輸出控制方式，大大改善了工藝并提高了靈活性，從而讓客戶資本投資回報實現(xiàn)最大化。

關(guān)于這一點，脈沖選通、單脈沖持續(xù)能量控制及動態(tài)改變重復(fù)頻率等功能顯得尤為重要。確保掃描頭、運動平臺和激光脈沖之間的高度同步是非常必要的，可實現(xiàn)曲線和輪廓的最佳切割。激光束在曲線上的移動速度要慢于切割直線時的速度（因為平臺或電流計鏡必須減速 / 加速）。所以脈沖間的時間間隔必須具有動態(tài)變化，以便在任何指定點保持恒定的激光功率輸出，從而使激光/ 材料相互作用保持一致。這種先進的同步模式的主要優(yōu)勢在于，始終都能以最大的掃描速度進行切割，所以可在縮短時間周期的同時，保持完美的切割質(zhì)量。另一個可選的方案是在恒定的低速下工作，速度相當(dāng)于受限于元件形狀施加的最低速度。相干公司 HyperRapid 激光器的結(jié)構(gòu)脈沖抖動約為 10 ns，有助于實現(xiàn)這一功能。

圖 3.HyperRapid NX 是相干公司新一代的工業(yè)超短脈沖激光器，提供的性能和可靠性能夠滿足注重成本的工業(yè)制造應(yīng)用的需求。

超短脈沖激光技術(shù)比傳統(tǒng)激光技術(shù)更為復(fù)雜，而這種復(fù)雜性隱藏著潛在的故障風(fēng)險。相干公司采用高加速壽命測試 (HALT) 和高加速應(yīng)力篩選 (HASS) ，提高了超短脈沖激光器的產(chǎn)品可靠性和使用壽命（目前相干公司是激光行業(yè)唯一一家采用這種測試方式的公司）。HALT 是一種在元件和系統(tǒng)的研發(fā)階段導(dǎo)入的測試方案，通過在極端條件下迫使器件及系統(tǒng)發(fā)生故障的方式，分析激光器故障原理并及時完善設(shè)計方案，不斷重復(fù)這一嚴(yán)格試驗，直至排除并且規(guī)避所有可能發(fā)生的故障的測試。HASS 是一種用于每個制造單元的補充篩選協(xié)議。它可以在交付前檢測潛在制造缺陷，并且不會影響裝置的使用壽命， 從而大幅提高開箱質(zhì)量。HASS 還可以持續(xù)改進制造工藝，這是提高產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。

最后，操作靈活性也非常重要，因為設(shè)備結(jié)構(gòu)多種多樣，變化迅速。操作靈活性使顯示屏制造商能夠隨著設(shè)備結(jié)構(gòu)的變化進行無縫調(diào)整，并能滿足不同細分市場的需求。支持廣泛操作模式的激光器可隨時提供正確的工藝配方，以滿足這些不同需求。

當(dāng)然，成本始終是考慮因素之一，超短脈沖激光器價格仍高于具有同等輸出功率的納秒級激光器。因此，只有在某些應(yīng)用領(lǐng)域能夠獲得明顯優(yōu)勢時才會采用 HyperRapid NX 這類 超短脈沖激光器。這種優(yōu)勢在應(yīng)對封裝切割中的以下要求時會體現(xiàn)出來：

• HAZ 要求小于 50 nm

• 切割透明的阻焊層（因為其在加熱時顏色會變暗）

• 切割脆性材料，比如陶瓷、玻璃或復(fù)合材料（包括玻璃纖維），要求使形成的碎屑小于幾十微米

• 切割厚度為幾十微米的銅層

雖然超短脈沖加工相較于納秒方式有著固有的優(yōu)勢，但超短脈沖需要更全面的工藝優(yōu)化發(fā)揮潛力， 并最大程度地減少甚至消除產(chǎn)生的碎屑。相干公司對指紋傳感器和 SiP 切割進行了高級優(yōu)化研究，旨在最大程度地減少切割過程中產(chǎn)生的碎屑，同時不降低切割速度。我們的應(yīng)用團隊優(yōu)化了工藝的各個方面， 而不僅僅是激光束。這包括排氣系統(tǒng)（位置、壓力）、吹氣系統(tǒng)（幾何形狀、位置、壓力、工藝氣體類型）、激光器與電流計掃描頭同步（速度、觸發(fā)、跳動、計時）和總體加工方案。在此之前，盡管優(yōu)化了激光器參數(shù)，切割過程中仍然會產(chǎn)生不對稱的 HAZ、燒蝕和碎屑。

對于指紋傳感器切割，最佳的效果是能夠?qū)崿F(xiàn)碎屑小甚至完全避免碎屑的完美切割，（圖 4）。這種高質(zhì)量的切割是通過在激光器上設(shè)定最大可用脈沖能量（125 µJ）實現(xiàn)的。在此功率等級，激光器能夠以大于 75 mm/s 的速度切割 0.45 mm 厚的基板。無論基板是哪種材料（銅、環(huán)氧樹脂等），均可保持這個速度。對于周長為 42 mm 的典型指紋傳感器，其加工時間為 0.55 s。

圖 4. 綠光 超短脈沖激光器切割指紋傳感器，工藝優(yōu)化前后。工藝優(yōu)化基本上消除燒灼和碎屑（白層）。所示樣本未經(jīng)過清理。

圖 5. 經(jīng)過工藝優(yōu)化，超短脈沖 激光器切割的指紋傳感器的邊緣和截面細節(jié)顯示切口很平整、質(zhì)量非常高。所示樣本未經(jīng)過清理。

SiP 切割的工藝優(yōu)化也能達到類似的效果（圖 5 和 6）。具體來說，通過設(shè)定最高的脈沖能量（125 µJ）獲得了最佳的效果。對于厚度為 1.2 mm 的基板，切割速度大于 10 mm/s。S1 樣本的周期時間為10.3 s（用在智能手表中的 SiP）。同樣，其切割質(zhì)量幾乎完美，產(chǎn)生的碎屑少到足以簡化清理步驟，甚至無需后續(xù)清理。

圖 6. 經(jīng)過工藝優(yōu)化，綠光 USP 激光器切割的 SiP 元件 (S1) 的邊緣和截面細節(jié)顯示切口很平整、質(zhì)量非常高。所示樣本未經(jīng)過清理。

圖 7. 經(jīng)過工藝優(yōu)化，綠光 USP 激光器切割的 SiP 元件 (S1) 的結(jié)果圖顯示邊緣的質(zhì)量完美。所示樣本未經(jīng)過清理。

對于許多工業(yè)加工，優(yōu)化需要有所取舍和折中，比如速度與切割質(zhì)量。在這兩個采用超短脈沖激光器進行切割的示例中，工藝優(yōu)化無需降低激光功率或重復(fù)頻率，也即是說不會影響速度。這也充分說明針對整機進行全面工藝開發(fā)的重要意義和價值，以便通過超快激光加工實現(xiàn)最佳切割效果。

相干公司擁有經(jīng)驗豐富的應(yīng)用開發(fā)團隊，對于一些新興應(yīng)用，有能力幫助優(yōu)化激光和材料相互作用的工藝，以獲得最佳效果。這也是我們?yōu)榭蛻籼峁┑淖钣袃r值的整體解決方案：最為可靠和性能卓越的激光源、最優(yōu)的加工工藝和最佳產(chǎn)品配置，以及如何充分利用超短脈沖激光加工的優(yōu)勢。

相干公司的測試證明綠光超短脈沖激光器可在多種半導(dǎo)體先進封裝切割工藝領(lǐng)域提供卓越的切割質(zhì)量。而且，可實現(xiàn)最佳品質(zhì)的高功率 / 高能量的綠光激光器輸出。

因此，我們有理由相信，一旦高功率超短脈沖激光器投入使用，客戶產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將會進一步縮短。隨著這項技術(shù)的經(jīng)濟性越來越高，必將成為吸引更多最終用戶的首選。

作者：

Florent Thibault，相干公司工業(yè)級皮秒激光器產(chǎn)品線經(jīng)理

Hatim Haloui，應(yīng)用實驗室經(jīng)理

Joris van Nunen，產(chǎn)品營銷經(jīng)理