據麥姆斯谘詢報道，人們對平板電腦、手機、手表和其他可穿戴設備的需求趨向功能複雜但結構緊湊，因此半導體芯片和封裝後器件的尺寸不斷縮小對微電子技術發展的重要性不亞於摩爾定律的重要意義。先進封裝技術趨勢為激光器發展創造了大量機會，因為他們能力非凡，能夠在最小熱影響區（HAZ）執行各種材料的高精度加工任務。因此，激光器在晶圓切割、封裝切割（singulation）、光學剝離，μ-via鑽孔、重分布層（RDL）結構化、切割帶切割（EMI屏蔽）、焊接、退火和鍵合等方麵使用越來越廣泛，在此僅舉幾例。本文詳細闡述了三種截然不同的基於激光的工藝，用於各種充滿活力的應用領域。
納秒和皮秒激光器用於係統級封裝（SiP）切割
SiP技術可幫助高端可穿戴設備或便攜式設備實現體積微型化、功能高度集中。SiP器件由各種電路組件組成，例如處理器、存儲器、通信芯片和傳感器等，組裝在嵌入式銅線的PCB基板上。所有器件的組裝通常被封裝在模塑複合材料裏，並添加具有電磁屏蔽功能的外部導電塗層。SiP器件厚度約1mm，其中模塑複合材料厚度約占一半。
在製造過程中，一開始多個SiP器件製作在一塊大麵板上，最後再被分割成單個器件。此外，某些情況下，在器件中，溝槽會直接深入到模塑複合材料，直到連接到銅接地層。該工藝在導電屏蔽層覆蓋器件之前完成，導電屏蔽層主要用於完全覆蓋SiP區域，使得與其他高頻元器件隔離。
對於切割和開槽，切口位置和深度都必須精確，不能有炭化，更不能有碎屑。此外，諸如熱損傷、分層或微裂紋等切割過程中產生的問題，都會對電路造成不可挽回的後果。
目前，具有納秒脈衝寬度的20-40W紫外固態激光器（例如Coherent AVIA）是SiP切割的主要工具。然而，對於納秒源，需要平衡輸出功率和切割質量（特別是邊緣質量和碎片形成）。因此，僅通過施加更多激光功率是不能輕易提高處理速度的。
因此，如果對切割質量要求極高，可以選擇532 nm（綠色）超短脈衝（ultra-short pulse，簡稱USP）激光器替代，例如Coherent HyperRapid NX皮秒激光器或Monaco飛秒激光器。與納秒激光器相比，它們的切口更小，可以減少HAZ和碎片量，在某些情況下甚至可以提高產量。但是，USP源唯一的缺點就是它們的投入成本較高。
圖1：用皮秒（上圖）與納秒（下圖）切割的1.2mm厚SiP材料的橫截麵示意圖
準分子激光器用於RDL
RDL是實現微電子領域中幾乎所有先進封裝的關鍵技術，包括倒裝芯片、晶圓級芯片封裝、扇出型晶圓級封裝、嵌入式IC和2.5D / 3D封裝等。RDL是通過圖案化金屬和介電層對電路進行布線，可以使每顆矽基芯片連接到其他芯片。以這種方式，RDL就可重新規劃管芯的輸入/輸出路線。
目前，大多RDL是用“光刻定義”電介質構造的，其中所需的電路圖案先通過光刻印刷，然後再用濕法刻蝕去除曝光或未曝光區域來獲得的。但是光刻定義聚合物有幾個缺點，比如成本高、加工複雜以及熱膨脹係數（CTE）與鍵合材料不匹配等。此外，由於光刻膠殘留引起的電路故障，會存良好管芯失效的風險。
如今，有一種新的解決方案誕生，它可通過使用合適的非光電介質材料，采用308nm準分子激光器進行直接燒蝕構圖。這些非光電介質的成本遠低於光刻定義的材料，而且其產生的應力更小，CTE匹配更好，機械和電氣性能更佳。在這裏，激光通過包含所需圖案的光刻版投射，然後燒灼襯底（比投影圖案大），移動，再燒蝕，直到所有區域都被圖案化。準分子激光燒蝕是一種經濟的高通量圖案化方法，因為它比光刻定義的電介質圖案化方法步驟少，無需使用濕法化學品，堪稱“綠色”工藝。
基於準分子激光的RDL結構工具已經在基於Coherent LAMBDA SX係列激光器的基礎上投入使用。這些準分子激光器的高脈衝能量（> 1 J）和重複頻率（300 Hz）可為低至2μm的特征尺寸提供快速產出量。此外，準分子激光燒蝕的優勢還表現在對特征深度和“側壁角”的出色控製上。而後者尤為重要，由於大角度圖形兩側的“陰影”會對隨後的金屬濺射或氣相沉積過程產生負麵影響。
圖2：準分子激光燒蝕在聚酰亞胺中製作出無缺陷的微型圖形（圖片來源：SUSS Microtec）
CO2和CO激光器用於LTCC切割和打孔
如今眾多封裝應用都涉及低溫共燒陶瓷（LTCC），它作為電力或通信器件的微電子基板越來越受歡迎。LTCC被加工成綠色（未燒製）的陶瓷，通常在50μm至250μm範圍內，厚度約為40μm至60μm的氯化聚乙烯（PET）磁帶層上製造。在LTCC電路製造中，激光器主要用於劃片（切割）和鑽通孔兩種工藝過程。
追溯曆史，CO2激光器一直都用於LTCC切割。先用激光產生一排緊密間隔的孔，這些孔穿透到襯底中層（如劃片槽），然後再使用機械力沿著該劃片槽將材料折斷。
如今，CO激光器作為CO2激光器的替代品，吸引了越來越多的關注。幾年前由Coherent引入市場的工業CO激光器與CO2技術類似，不同之處在於CO激光器的輸出波長約為5μm。該較短波長在LTCC中的吸收明顯低於10.6 m的CO2波長。這使得激光能夠進一步滲透到基板中，劃片深度更深，這樣可使材料更容易斷裂（見圖3）。而且，較低的吸收也會產生較小的HAZ。
一直以來，LTCC鑽通孔也依賴於CO2激光器。但是對於這個技術，綠色波長USP激光器可能會成為CO2的首選替代品。這是因為USP激光器可完美平衡質量和產出率之間的矛盾。具體而言，一台50W綠色USP激光器可以在0.60mm陶瓷中以超過每秒2000個孔的速率生產30μm的通孔。但是，另一方麵，CO激光器同樣也可以替代USP激光器。CO激光器已被證明可以在0.65mm厚的燒製陶瓷中以高於1000個孔/秒的速率產生大於40μm的通孔。因此，根據陶瓷的厚度和所需的直徑，USP和CO激光器都是LTCC鑽通孔的最佳選擇。
圖3：0.6mm厚切割LTCC橫截麵。比較顯示，CO激光器的切割由於其在陶瓷中的吸收較低，能夠
基本優勢相似
總之，雖然目前半導體封裝使用多種激光技術，但它們都具有相似的基本優勢。具體而言，這些包含產生高精度特征的非接觸式加工，通常對周圍材料的影響很小，而且產量較高。此外，激光加工是“綠色”的，因為它無需使用危險或難以處理的化學物質。
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