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CO激光器有何用?中红外激光在微通孔钻孔和硅片剥离潜力巨大!

一氧化碳(CO)激光器与广泛使用的二氧化碳(CO2激光器类似,都是以气体作为工作介质产生激光输出。CO激光器主要应用于科研和医疗方面,直到最近才在工业应用上崭露头角。本文重点关注CO激光器在微电子制造业发挥重要作用的潜力,尤其是针对40μm以下的PCB微孔钻孔和正在发展的激光硅片剥离领域。

CO激光背景

与远红外激光(10.6μm)相比,光谱范围在5-6μm之间的CO激光在某些应用中具有两大重要优势。许多金属、薄膜、聚合物、PCB介质、陶瓷和复合材料在较短的波长上有较高的吸收,因此可用较低的激光功率来处理材料,这将有效降低热影响区(HAZ)面积;此外,当材料在较短波长的透射率较高时,光可以穿透到材料的更深处,这对加工也是有利的。

波长较短的另一个优点是,由于衍射减弱,激光可以聚焦到更小的光斑上,而衍射是随波长线性扩展的。例如,在同一标准配置下,在工业应用中CO2激光器实现最小光斑的波长在70-80μm之间,而CO激光器则能在30-40μm间实现最小光斑。这意味着功率给定时,CO激光焦点处的功率密度(通量)比CO2激光高4倍。再结合在某些材料对5μm激光有更强的吸收,使得这些材料能够在低功率的CO激光下进行加工。

不可否认的是,尽管CO激光具备这样的优点,但两个关键操作阻碍其走向大规模商业化。首先,CO激光以前只能在低温下保持高效率运行;其次,CO激光器的密封装置遭受了快速的功率退化。所幸Coherent的工程师解决了这些问题。2015年,Coherent推出了一系列工业密封CO激光器,它们能在室温下高效运转,其运行寿命可与CO2激光器媲美。

目前,CO激光器已经在陶瓷划片、切割和钻孔方面取得了成功。此外,还有其他潜力巨大的应用方向。

PCB通孔钻孔

通孔钻孔是一种重要的激光应用,CO激光器在这方面具有独特的优势。通孔是在电子印刷电路板(pcb)上钻的小洞,其作用是使电子连接可以在层之间进行。与集成电路的发展一样,市场需要不断提高PCB板的电路密度,这反过来也产生了通孔孔径更小的需求。

传统的通孔是用机械钻取的,这种方法仍然广泛用于电路密度较低的PCB。而在1990年代中期,CO2激光通孔钻孔系统实现了100微米以下的PCB通孔的批量生产,这是与机械钻孔系统难以实现的。目前,CO2激光通孔钻孔系统常用于生产孔径在50到100μm间的通孔。

现在,随着更高封装密度需求的推动,通孔直径也逐步趋向20至40μm。前文提到,CO激光器具备将光束聚焦到更小点的能力,加上相对较高的输出功率,使该技术成为更小通孔钻孔应用的良好候选方案。

硅片剥离

除了传统的PCB外,提高电路密度还会采用“高级封装”技术,即将多个集成电路封装在单个单元中,形成一个包含逻辑、内存及传感器的功能单元。半导体器件的集成通常需要处理厚度小于100μm的组件,为提高稀释、处理、转移这些组件的效率,通常将其临时键合在较厚的衬底上。

玻璃和硅都可作为这种临时键合处理的衬底。虽然玻璃处理技术成熟并可达到高度的工业应用标准,但随着对封装工艺和材料的要求越来越严格,加上硅的物理特性(更高的导热性、更匹配的热膨胀、翘曲更少、与现有的半导体设备广泛兼容)为其提供了诸多工艺技术优势,人们更希望用硅来作为临时键合的衬底。

在临时键合后的剥离上,由于热应力和机械应力的限制,热滑动和机械剥离方法不如光学剥离方法有吸引力。但当前缺乏实用和低成本的光学剥离技术,这是广泛推广以硅作为临时衬底的关键障碍。

目前用于玻璃衬底的剥离设备采用紫外激光,但不幸的是,紫外波段对硅而言是不透明的,工业中非金属材料加工的主力——CO2激光器所发的远红外波段也在硅的透明窗口之外。目前还没有可用于硅的激光剥离技术。然而,室温下的激光硅片剥离技术是一个有吸引力的概念,它将成为硅作临时衬底的重要推动力量。

实验表明,典型的衬底厚度下,硅在CO输出波长处是透明的。此外,CO激光器有多种配置和功率范围,可实现从纳秒脉冲到连续波的输出,功率级别达400W。这使得CO激光器很适合处理各种释放层和粘合剂,并与纺丝涂层和气相沉积材料兼容。从工具集成的角度来看,CO激光器与更成熟的CO2激光接近,二者具有大量的接口共通性,从而为生产有价值的剥离系统提供了一条相对低风险的开发路径。

结论

CO激光器的中红外输出提供了一种过去极难获得的光谱范围内,这项技术的潜在应用正在探索和开发中。除了各种玻璃和陶瓷加工外,通孔钻孔和硅片剥离是另外两个显示出巨大潜力的应用。

原作者:Coherent公司技术开发经理Peter Rosenthal、营销总监Dirk Müller、产品营销总监George Oulundsen。

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