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歷史雜誌

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領袖觀點|雷射精密加工技術於半導體先進製程的機會與展望

作者 陳坤山

刊登日期:2021/02/01

前言

半導體元器件技術,歷經數十年的發展,日新月異; 尤其近十幾年來的進展,更是進步神速,成為全世界各先進國家領導階層和投資界關注的戰略核心,甚至成為一般平民老百姓日常生活中的話題。其也促成了各式各樣新穎的創新和應用科技快速發展,尤其是即將進入我們生活圈裏的5G/6G通訊、無人駕駛等高階人工智慧,可以肯定它將徹底地改變了人類的生活習性和工作方式,非常值得各位先進關注它。隨著半導體晶粒製造微縮技術走到物理極限,先進封裝技術已經成為延伸莫爾定律的重要選項,其中各式各樣的2.5D IC、 3D IC、 SIP、 Fan-IN、 Fan-Out、 Chiplet…等創新設計不斷著被大量地提出來,原本不太受關注的封裝技術,如今吸引大量的資金和高階研發人才的投入,形成百家齊嗚、美不勝收的局面。為了因應這些高性能先進封裝製程技術的需求,雷射精微加工技術成為有效和重要的製造工具,以取代傳統的切割、鑽孔、表面材料移除和改質…等製造手段,預期將為半導體設備產業帶來令人振奮的商機。

雷射精微加工於半導體封裝之應用

雷射在半導體封裝領域應用,於1980年代就已開始利用CO2雷射進行在IC封裝表面打上商標和識別碼(Marking)以取代傳統的油墨打印,但因其色階對比不佳且無法程式化,因此推動不易。約在1998年前後,隨著雷射技術快速成長,掃描器之軟、硬體技術成熟,使其可達成小型化、可程式化的特性,在短短幾年的時間幾乎完全取代傳統的油墨打印工藝,達成大量降低製程中生產成本的目標;並因其可達成微細字體、可程式化和易於進行生產控管IT化的特性,促使Laser Marking成為現代先進封裝工廠全自動化、無人化生產技術的重要資訊載具(information carrier)。也同時解決工業界無法生產資訊即時化、與少量多樣生產之長久困擾,更改變了整個製造資訊追蹤和品質控制的型態,促進現代半導封裝製程技術改善、客戶品質回饋和生產資訊管理等基礎工程的發展。

近年來雷射技術的發展相當迅速,各種波段(wave length)和微秒(microsecond)、皮秒(pico second)、飛秒(femto second)等工業用途雷射裝置相繼被開發出來,而其中 皮秒和飛秒因其pulse width在皮秒(10-12秒)或飛秒(10-15秒)水準,因此常被通稱為超快雷射。這些超快雷射擁有極高的峰值(peak power)、極高的頻率、可被控制的極小光點能量(spot energy) 和極低的無效熱傳遞,因此近代先進封裝製程逐步導入該等功能強大的技術,應用於微細(~1~30um)加工製程,以達成產品尺寸精準、低熱效應和加工速度快的目的。再者近年來雷射光路光學技術也進步神速,已可實現多光束、多焦點、長焦點、任意幾何光斑和快速任意形狀掃瞄技術(~50MHZ以上)…等,讓雷射加工應用變得更有彈性和效率,大量降低封裝成本; 因此,順理成章的變成半導體精微加工利器,頗受市場的歡迎。

現今半導體先進封裝製程除了在封裝設計的突破,跟隨封裝結構的多樣化、複雜化、微細化和功能特性上高頻化、高速化、高能量化的種種需求,且為數眾多的非傳統封裝材料被大量的運用,也因此對傳統的封裝技術構成諸多難以突破的挑戰;雷射精微加工或雷射/電漿混合式精微加工剛剛好可提供適當的解決方案,扮演好幕後英雄的重要角色。

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