激光照亮先进包装的路线图

先进包装最初是为了将电子产品缩小到智能手机、可穿戴设备及其他空间受限的设备中。但随着Dennard扩展和多核架构的优势逐渐消退，半导体行业转向异构集成作为创新的下一个引擎。因此，包括2.5D和3D集成、晶圆层扇形封装以及芯片组架构在内的多种先进封装方法，已成为维持摩尔定律设想的性能提升步伐的关键（见图1）。

图1.1970年至今微处理器晶体管密度、性能和架构的历史趋势，并预测至2040年。随着晶体管缩放和多核架构优势的减弱，异构计算成为维持摩尔定律的手段。

这一转变带来了一类新的工艺挑战，尤其是在晶圆选异、刻线、钻孔和标记方面。骰子越来越小。街道正在变窄。基质正在变薄。也许最关键的是，材料堆栈——包括再分配层（RDL）、介界面、封装基底和片内BEOL层——正变得更加脆弱。这主要是由于现代封装架构中低κ和超低κ介电材料的日益广泛使用。

大多数传统工艺技术难以在这些日益脆弱的材料中实现空间精度和材料选择性，从而实现下一代结构的实现。本文我们将探讨激光器——尤其是超短脉冲激光器——如何为低κ材料带来的一些最棘手的生产挑战提供高精度、无损伤的解决方案。

Low-κ材料的承诺与风险

异构计算的关键推动因素包括重分层（RDL）、中介体和片内BEOL互连。这些模块正在经历重大材料和结构演进，以支持性能和集成的持续提升。

这一转变的核心是低介电常数（low-κ）和超低κ介质。这些材料曾局限于传统的逻辑BEOL工艺，如今已被广泛应用于扇出晶圆级封装、2.5D中介体和芯片组架构。

低κ材料的主要优势已被广泛认可。通过降低金属线路间绝缘层的介电常数，设计者可以显著降低寄生电容。这反过来减少了RC延迟，提升了信号完整性，并支持更高带宽且功耗更低。对于高性能计算（HPC）、人工智能加速器和5G应用（高密度互联和宽内存接口主导）来说，这些电气优势变得绝对必要。

低κ介质还通过在日益紧凑的互连布局中最小化串扰和信号损耗，实现更紧密的布线密度。在多芯片配置中，高输入输出数下保持性能至关重要。当线宽和间距降至5微米以下（某些情况下接近1微米）时，金属层之间的绝缘材料不仅在电气上重要，在机械和热上也具有重要影响。

这正是权衡开始显现的地方。虽然低κ和超低κ材料具有优异的电气性能，但它们在机械上更弱、更脆，且通常比传统介质更易多孔。其较低的密度和化学特性可能导致吸湿增加，减少与周围材料的附着力，并在应力下更容易发生裂纹或分层。

这些特性在制造业中带来了新的脆弱性。这些现象在钝化后工艺如选拔、沟渠或穿孔钻孔时尤为明显。

含有低κ层的薄膜堆叠对机械应力、热循环和表面损伤的容忍度较低。因此，工艺窗口正在缩小，传统工装方法面临越来越多的压力，必须实现干净、无损的成果。

因此，虽然低κ材料已从一个小众推动者转变为包装基石，但其整合带来了复杂性，波及整个制造流程。在每个工艺阶段，低κ材料的使用都比以往任何时候都要求更精确、低影响的工艺技术。

当前工艺的局限性

机械切割与刀片锯切割已成为晶圆单一化的标准方法数十年。该工艺快速、熟悉且针对批量生产进行了良好优化。高速金刚石刀片能以令人印象深刻的精度和通量分离模具。这在具有强韧钝化的传统硅基板上尤为明显。

但向先进包装材料的转变暴露了基于刀片切割的局限性。关键问题是机械应力。随着刀片切割越来越脆弱的层，会产生振动、弯曲和横向力。

这些可能导致剥落、开裂或分层。这在处理脆弱的低κ介质、铜再分布层或超薄基板时尤其棘手。基底越薄，BEOL堆栈越脆弱，这些问题就越明显。

在某些应用中，机械切割可能导致灾难性故障。但即使模具在切割中幸存，残余应力也可能影响长期可靠性或引发后续故障。

为降低这些风险，一些制造商采用了混合动力方法。一个常见的例子是激光切割，随后是刀片切割。最常见的是，这种方式采用了355纳米波段的脉冲紫外（UV）激光器。

激光器会去除锯道上的顶层，从而在钝化层、金属层和介质层之间开辟通道。刀片随后以较小的结构载荷完成硅切割。

然而，当前利用纳秒激光的混合工艺仍面临局限。这是因为纳秒激光通过热相互作用工作。它们相对较长的脉冲持续时间（通常在10到100纳秒之间）允许部分热量向周围层扩散。在易碎包装堆中，这可能导致边缘剥离、变色或微裂纹。它还可能产生重铸碎屑，干扰结合或污染附近模具。

想想这对典型高级套餐意味着什么。这些材料通常包括多孔低κ介电体、铜RDLs、聚酰亚胺薄膜、钝化和焊点，所有这些材料都建在薄化的硅或玻璃基板上。许多材料热预算低、附着力弱或CTE不匹配。即使是适度的热或机械负载也可能导致裂纹、空隙或剥离。

综合这些因素，形成了一个明确的门槛：一类封装应用，在这些应用中，无论是刀片切割还是传统激光工具，都无法实现所需的精度和材料控制。随着对更高密度、更高可靠性和更薄形态的推动，这一门槛被越得越来越频繁。

因此，需要更好的工具。一种在不产生机械或热应力的情况下实现高精度的方案。