先進包裝最初是為了將電子產(chǎn)品縮小到智能手機、可穿戴設(shè)備及其他空間受限的設(shè)備中。但隨著Dennard擴展和多核架構(gòu)的優(yōu)勢逐漸消退，半導體行業(yè)轉(zhuǎn)向異構(gòu)集成作為創(chuàng)新的下一個引擎。因此，包括2.5D和3D集成、晶圓層扇形封裝以及芯片組架構(gòu)在內(nèi)的多種先進封裝方法，已成為維持摩爾定律設(shè)想的性能提升步伐的關(guān)鍵（見圖1）。

圖1.1970年至今微處理器晶體管密度、性能和架構(gòu)的歷史趨勢，并預測至2040年。隨著晶體管縮放和多核架構(gòu)優(yōu)勢的減弱，異構(gòu)計算成為維持摩爾定律的手段。

這一轉(zhuǎn)變帶來了一類新的工藝挑戰(zhàn)，尤其是在晶圓選異、刻線、鉆孔和標記方面。骰子越來越小。街道正在變窄。基質(zhì)正在變薄。也許最關(guān)鍵的是，材料堆棧——包括再分配層（RDL）、介界面、封裝基底和片內(nèi)BEOL層——正變得更加脆弱。這主要是由于現(xiàn)代封裝架構(gòu)中低κ和超低κ介電材料的日益廣泛使用。

大多數(shù)傳統(tǒng)工藝技術(shù)難以在這些日益脆弱的材料中實現(xiàn)空間精度和材料選擇性，從而實現(xiàn)下一代結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。本文我們將探討激光器——尤其是超短脈沖激光器——如何為低κ材料帶來的一些最棘手的生產(chǎn)挑戰(zhàn)提供高精度、無損傷的解決方案。

Low-κ材料的承諾與風險

異構(gòu)計算的關(guān)鍵推動因素包括重分層（RDL）、中介體和片內(nèi)BEOL互連。這些模塊正在經(jīng)歷重大材料和結(jié)構(gòu)演進，以支持性能和集成的持續(xù)提升。

這一轉(zhuǎn)變的核心是低介電常數(shù)（low-κ）和超低κ介質(zhì)。這些材料曾局限于傳統(tǒng)的邏輯BEOL工藝，如今已被廣泛應(yīng)用于扇出晶圓級封裝、2.5D中介體和芯片組架構(gòu)。

低κ材料的主要優(yōu)勢已被廣泛認可。通過降低金屬線路間絕緣層的介電常數(shù)，設(shè)計者可以顯著降低寄生電容。這反過來減少了RC延遲，提升了信號完整性，并支持更高帶寬且功耗更低。對于高性能計算（HPC）、人工智能加速器和5G應(yīng)用（高密度互聯(lián)和寬內(nèi)存接口主導）來說，這些電氣優(yōu)勢變得絕對必要。

低κ介質(zhì)還通過在日益緊湊的互連布局中最小化串擾和信號損耗，實現(xiàn)更緊密的布線密度。在多芯片配置中，高輸入輸出數(shù)下保持性能至關(guān)重要。當線寬和間距降至5微米以下（某些情況下接近1微米）時，金屬層之間的絕緣材料不僅在電氣上重要，在機械和熱上也具有重要影響。

這正是權(quán)衡開始顯現(xiàn)的地方。雖然低κ和超低κ材料具有優(yōu)異的電氣性能，但它們在機械上更弱、更脆，且通常比傳統(tǒng)介質(zhì)更易多孔。其較低的密度和化學特性可能導致吸濕增加，減少與周圍材料的附著力，并在應(yīng)力下更容易發(fā)生裂紋或分層。

這些特性在制造業(yè)中帶來了新的脆弱性。這些現(xiàn)象在鈍化后工藝如選拔、溝渠或穿孔鉆孔時尤為明顯。

含有低κ層的薄膜堆疊對機械應(yīng)力、熱循環(huán)和表面損傷的容忍度較低。因此，工藝窗口正在縮小，傳統(tǒng)工裝方法面臨越來越多的壓力，必須實現(xiàn)干凈、無損的成果。

因此，雖然低κ材料已從一個小眾推動者轉(zhuǎn)變?yōu)榘b基石，但其整合帶來了復雜性，波及整個制造流程。在每個工藝階段，低κ材料的使用都比以往任何時候都要求更精確、低影響的工藝技術(shù)。

當前工藝的局限性

機械切割與刀片鋸切割已成為晶圓單一化的標準方法數(shù)十年。該工藝快速、熟悉且針對批量生產(chǎn)進行了良好優(yōu)化。高速金剛石刀片能以令人印象深刻的精度和通量分離模具。這在具有強韌鈍化的傳統(tǒng)硅基板上尤為明顯。

但向先進包裝材料的轉(zhuǎn)變暴露了基于刀片切割的局限性。關(guān)鍵問題是機械應(yīng)力。隨著刀片切割越來越脆弱的層，會產(chǎn)生振動、彎曲和橫向力。

這些可能導致剝落、開裂或分層。這在處理脆弱的低κ介質(zhì)、銅再分布層或超薄基板時尤其棘手。基底越薄，BEOL堆棧越脆弱，這些問題就越明顯。

在某些應(yīng)用中，機械切割可能導致災難性故障。但即使模具在切割中幸存，殘余應(yīng)力也可能影響長期可靠性或引發(fā)后續(xù)故障。

為降低這些風險，一些制造商采用了混合動力方法。一個常見的例子是激光切割，隨后是刀片切割。最常見的是，這種方式采用了355納米波段的脈沖紫外（UV）激光器。

激光器會去除鋸道上的頂層，從而在鈍化層、金屬層和介質(zhì)層之間開辟通道。刀片隨后以較小的結(jié)構(gòu)載荷完成硅切割。

然而，當前利用納秒激光的混合工藝仍面臨局限。這是因為納秒激光通過熱相互作用工作。它們相對較長的脈沖持續(xù)時間（通常在10到100納秒之間）允許部分熱量向周圍層擴散。在易碎包裝堆中，這可能導致邊緣剝離、變色或微裂紋。它還可能產(chǎn)生重鑄碎屑，干擾結(jié)合或污染附近模具。

想想這對典型高級套餐意味著什么。這些材料通常包括多孔低κ介電體、銅RDLs、聚酰亞胺薄膜、鈍化和焊點，所有這些材料都建在薄化的硅或玻璃基板上。許多材料熱預算低、附著力弱或CTE不匹配。即使是適度的熱或機械負載也可能導致裂紋、空隙或剝離。

綜合這些因素，形成了一個明確的門檻：一類封裝應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，無論是刀片切割還是傳統(tǒng)激光工具，都無法實現(xiàn)所需的精度和材料控制。隨著對更高密度、更高可靠性和更薄形態(tài)的推動，這一門檻被越得越來越頻繁。

因此，需要更好的工具。一種在不產(chǎn)生機械或熱應(yīng)力的情況下實現(xiàn)高精度的方案。