系統(tǒng)級封裝 (SiP) 是一種芯片封裝方法，可通過增大晶體管密度來進(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）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實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微型化。從功能上講，SiP 通過將歷來離散和隔離的元件，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，來實(shí)現(xiàn)性能的提升。SiP 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于移動消費(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，如果此類激光器無法承受過多的熱量，則實(shí)際運(yùn)用效果可能會大打折扣，特別是考慮到這些器件的密度會變得越來越大。為了應(yīng)對這一挑戰(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，這可能會產(chǎn)生過多熱量，從而導(dǎo)致出現(xiàn)分層現(xiàn)象。考慮到這些因素，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 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。對于較薄的 FR4，當(dāng)使用皮秒脈沖寬度時(shí)，過度加熱相對容易避免。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。

對于使用 USP 激光器進(jìn)行的許多工藝，通?？梢詫Ω哔|(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法檢測到的突起。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)別纖維端面可檢測到無熔化 / 低熔化，層間無分層，銅線燒蝕程度低，且銅線內(nèi)及周圍無熔化或變形。

對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帶來嚴(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，且僅會實(shí)現(xiàn)最低限度的熱影響。

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)間抖動極其低的按需脈沖 (POD) 和位置同步輸出 (PSO) 觸發(fā)功能。