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紫外激光器

紫外激光器:智能手機制造中的利器

激光制造商情 來源:美國Coherent公司2010-10-14 我要評論(0 )   

半導(dǎo)體激光器在金屬薄片焊接中的應(yīng)用 激光連續(xù)波焊接金屬是經(jīng)過實踐驗證的有效方法,能否確保高精確度的焊接過程。 COMPACT 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的精密金屬焊接,如焊接電...

 出于制造成本考慮,制造商需要生產(chǎn)功能更強大、但更小和更節(jié)能的設(shè)備,因此,激光技術(shù)在半導(dǎo)體以及微電子制造過程中的作用正在急劇增強。與現(xiàn)有的智能手機相比,下一代產(chǎn)品需要具備更強大的處理能力和高質(zhì)量顯示屏,而且這種趨勢日益顯著。零部件制造商已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向具備高分辨率、高能量以及低損傷加工特性的紫外(UV)和深紫外(DUV)激光器來實現(xiàn)智能手機的生產(chǎn)。

本文闡釋了激光器應(yīng)用于智能手機制造的實例,并對因應(yīng)未來需求而研發(fā)的新激光技術(shù)進行了綜述。

晶片切割

智能手機所需的小物理尺寸與高性能需要較薄的內(nèi)存晶片(用于先進的封裝)以及組成低電介質(zhì)的晶片,以改進功耗。這兩種晶片對傳統(tǒng)模具切割(采用鋸)方式提出了挑戰(zhàn)。特別是,低電介質(zhì)具備高多孔性、柔軟性以及低粘附性,令傳統(tǒng)的鋸切割難以應(yīng)對。目前,半切割的激光劃片已經(jīng)成為用于切割低電介質(zhì)最普遍的方法。

在這一過程中,激光器被用于切穿軟質(zhì)外延層,從而使軟質(zhì)外延層在模具上絕緣,并使其邊緣層相對清潔,沒有損壞。隨后硅片將被機械鋸切而無須擔(dān)心外延層與鋸片接觸。

對內(nèi)存晶片而言,機械鋸切在工業(yè)中仍然居于主導(dǎo)地位;但是隨著晶片變薄,機械鋸切會產(chǎn)生裂縫或斷裂,由此必須較慢地進行,因而降低了產(chǎn)能。我們可以利用激光完全切穿晶片,以避免這些問題。對于100 m以下的晶片厚度,可以預(yù)期激光切割與鋸切之間的總成本相仿;對50 m以及更小晶片所做的激光加工(laser oem),它將更具優(yōu)勢。

當(dāng)前,類似Coherent公司AVIA系列355-23-250這樣的半導(dǎo)體泵浦固體激光器,已經(jīng)針對晶片劃片做了特殊的設(shè)計和優(yōu)化,并且成為切割應(yīng)用的首選設(shè)備。短波長帶來小的熱影響區(qū)域(HAZ),并且調(diào)Q激光器的短脈寬(數(shù)十納秒)意味著每個脈沖的熱能被減小到最低限度,并且可以在下一個脈沖到達之前通過傳導(dǎo)而消散。高重復(fù)頻率以及高功率降低了總擁有成本(COO),從而促使制造成本下降。

未來趨勢:采用更高精度切割可以帶來加工簡單化以及精度方面的益處。近來出現(xiàn)的工業(yè)用皮秒激光器成為了一種有效的解決方法。皮秒脈沖主要通過稱為多光子吸收的光學(xué)過程去除材料。這是一個相對冷(非熱)的過程,可以帶來比納秒激光器更優(yōu)異的邊緣質(zhì)量,從而提高成品率,并且有可能無須進行后續(xù)加工。Coherent公司的Talisker系列激光器在355 nm波長下提供了4 W的輸出,脈沖寬度為15 ps,這種全新的工業(yè)皮秒激光器已經(jīng)通過實踐證明了其提供前所未有的超高精度、速度以及可靠性的能力。 

 
 


 

2 AVIA系列的355-23-250為晶片劃片進行了優(yōu)化

 激光直接成像

智能手機中,將更多電路安裝到更小空間的需求導(dǎo)致了越來越多地使用高密度互連(HDI)電路板,而激光直接成像(LDI)在生產(chǎn)這種電路板方面已成為一項關(guān)鍵的技術(shù)。在LDI中,鎖模的紫外激光器可將圖案直接成像到涂有光刻膠的面板上,完全排除了使用傳統(tǒng)的成像工具(即膠片)。LDI最明顯的好處是節(jié)省了與這些成像工具的生產(chǎn)、使用、處理以及存儲有關(guān)的時間和成本。LDI還提供了明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的接觸印刷制備方法的精度。

Coherent公司的Paladin系列激光器是專門為滿足LDI以及其他需要可靠、高功率紫外激光光源的應(yīng)用而開發(fā)的。Paladin系列是鎖模的半導(dǎo)體泵浦三倍頻固體激光器,波長355 nm,輸出功率可以高達16 W。Paladin系列的全固態(tài)構(gòu)造堅固耐用、具有高可靠性和長壽命,并且具備卓越的模式質(zhì)量和極好的指向穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性以及噪聲特性。16 W的輸出功率可以在保持足夠的加工產(chǎn)能的同時,使用較廉價的干膜。

 鉆孔

制造HDI電路板的另一個重要步驟是鉆微孔,這實現(xiàn)了電路板中的各不同層之間的電連接。與其他競爭技術(shù)相比,激光鉆孔提供了相當(dāng)大的實用性和成本優(yōu)勢,因此激光鉆孔已經(jīng)成為微孔生產(chǎn)的首選方法。例如,隨著孔直徑越來越小,直至250 m以下,機械鉆孔變得越來越昂貴,而對于150 m以下的孔則幾乎無法勝任。

大多數(shù)用于智能手機電路板的微孔鉆孔是利用在100 W500 W的功率范圍內(nèi)的CO2激光器來完成。其中的一個典范是Coherent公司DIAMOND K - 225i,該激光器產(chǎn)生9.4 m的波長和高達225 W的功率。由于包括FR4、樹脂涂層鋁箔(RCC),聚酰亞胺、聚四氟乙烯以及芳綸在內(nèi)的電介質(zhì)材料在該波長處呈現(xiàn)了顯著高于常見的10.6 mCO2輸出波長的吸收,使得9.4 m波長具有更高的價值。另外,Coherent公司DIAMOND K - 225i也證明了高光束質(zhì)量對于在加工表面達到足夠小的聚焦光斑是必須的。


 

未來趨勢:半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器也用于鉆微孔。這些激光器的短波長和高光束質(zhì)量可提供更小的聚焦尺度。相對于CO2激光器(能產(chǎn)生100 m大小范圍內(nèi)的大多數(shù)微孔),小的焦點以及紫外固體激光器較低的平均功率(與CO2相比)使得紫外固體激光器處于不利地位。然而,隨著設(shè)備小型化的趨勢仍在繼續(xù),以及對于較小的微孔的需求增加,這些激光器的應(yīng)用將會擴大。表1提供了CO2激光器與紫外固體激光器在該應(yīng)用方面的全面對比。

低溫多晶硅淬火

用于諸如iPhone等高端智能手機的顯示屏是基于多晶硅,而非大多數(shù)平板顯示器所采用的非晶硅。多晶硅具有明顯高于非晶硅的電子遷移率。因此,基于多晶硅技術(shù)的液晶顯示器(LCD)可以提供更高的分辨率和亮度、更寬的視角以及更高的像素刷新率。多晶硅的使用也令在面板上集成顯示器驅(qū)動電路成為可能,從而促進正在進行中的小型化工藝。

基于準(zhǔn)分子激光器的低溫多晶硅(LTPS)淬火是目前顯示器制造過程中加工多晶硅層的首選方法。這是因為它可以在溫度低至200時執(zhí)行,而無需使用昂貴的石英或熱玻璃襯底。目前,使用最廣泛的LTPS技術(shù)被稱為準(zhǔn)分子激光淬火(ELA)。

ELA中,308 nm準(zhǔn)分子激光器的矩形光束被光學(xué)勻化,并整形為一條細長的能量分布高度均勻的直線(典型的大約為465 mm×0.4 mm)。這條直線光斑被導(dǎo)引到硅涂層襯底上,然后進行掃描。

硅可以有效地吸收308 nm的波長,實現(xiàn)對每一個脈沖幾乎完全的利用。由于晶體在垂直方向上的生長,導(dǎo)致了在融合硅與剩余的未融合硅的界面處開始的高效結(jié)晶化過程。

ELA需要準(zhǔn)分子激光器具有高脈沖能量(1J)、達到幾百赫茲的高重復(fù)頻率以及高能量穩(wěn)定性。高脈沖能量使每個脈沖能作用在更大的面積上。而高重復(fù)頻率是實現(xiàn)預(yù)期產(chǎn)能所必需的。傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光器或提供高脈沖能量或提供高重復(fù)頻率,但兩者無法同時實現(xiàn)。Coherent公司為滿足ELA需求而提供了在重復(fù)頻率為300 Hz下提供1J脈沖能量的LAMBDA SX。

觸摸屏ITO刻蝕

在過去幾年中,觸摸屏的成本一直在穩(wěn)步下降,智能手機的觸摸屏正變得越來越常見。例如,全球觸摸屏銷售額在2007年約為12億美元,預(yù)期在2012年將達到50億美元以上。目前,制造觸摸屏主要有三種技術(shù):電阻、電容和表面聲波技術(shù)。電阻和電容技術(shù)通常用于中小型屏幕智能手機中。雖然電阻技術(shù)在市場居于主導(dǎo)地位,但是iPhone使用的電容技術(shù)允許多點觸摸同時檢測,這項技術(shù)受歡迎的程度可望在未來幾年中得以提升。

 


 

典型的觸摸屏面板包括頂部保護層、粘合層、被刻蝕的透明導(dǎo)電氧化物(一般是ITO)層以及玻璃襯底組成。一些制造商使用半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器,通過TCO層來刻劃一系列寬度約為25 m50 m的線。在某些情況下,紫外DPSS激光器還用于去除TCO,以產(chǎn)生穿過裝置正面的更線性的響應(yīng)。

與諸如光刻的傳統(tǒng)ITO刻蝕技術(shù)相比,紫外激光加工(laser oem)具有若干優(yōu)勢。特別是,基于激光的加工提供了更高的產(chǎn)能,更高的加工靈活性以及達到較小尺度的能力避免了濕化學(xué)物質(zhì)及其帶來的安全性和環(huán)境污染問題。

通常用于觸摸屏刻蝕的激光器是半導(dǎo)體泵浦紫外激光器,例如Coherent公司AVIA355-20355 nm時輸出超過20 W。這種激光器不僅可以輕松地提供觸摸屏刻蝕所需的加工尺度,而且更重要的是,短波長不會深入襯底,這意味著在脆弱的薄玻璃或塑料襯底上的熱負荷會非常小。

結(jié)論

多種紫外激光器已經(jīng)成為各類微電子生產(chǎn)應(yīng)用中的重要工具,這是由于他們可以支持電路尺寸更小的趨勢,而且可以實現(xiàn)比其它技術(shù)(尤其是濕化學(xué)方法)更環(huán)保和更經(jīng)濟的工藝。隨著個人電子設(shè)備的小型化和多功能趨勢的延續(xù),我們預(yù)期更多需要激光的新應(yīng)用。相信,隨著制造商持續(xù)尋求能夠低成本制造下一代個人微電子產(chǎn)品的更好途徑,紫外激光器將日益受到青睞。

 

 

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