系統級封裝 (SiP) 是一種芯片封裝方法，可通過增大晶體管密度來進一步提高計算能力。隨著半導體特征尺寸收縮速度的放緩，半導體加工尺寸（納米- 微米）和印刷電路板 (PCB) 尺寸（微米- 毫米）之間存在的差距（空間尺度約跨越三個數量級）為該行業的發展提供了新的契機。得益于如此大的尺度差距，技術人員可以通過多種方法來實現進一步微型化。從功能上講，SiP 通過將歷來離散和隔離的元件，如內存、邏輯、射頻 (RF) 芯片等，集成到共享印刷電路板 (PCB) 基板上的單一封裝（通常稱為異構集成）中，并設計必要的相互連接，來實現性能的提升。SiP 技術已廣泛應用于移動消費電子產品，例如智能手機，手表、耳機等可穿戴設備以及許多其他設備。

紫外光和綠光波長的納秒激光器非常適合用于分離 SiP 器件。然而，如果此類激光器無法承受過多的熱量，則實際運用效果可能會大打折扣，特別是考慮到這些器件的密度會變得越來越大。為了應對這一挑戰，人們傾向于在加工過程中使用更短的脈沖持續時間，以便減小熱影響區 (HAZ)。如果封裝使用熱敏粘合介質，如焊料或粘合劑，就會出現這種情況，因為這些材料在過多的熱負荷下可能會失效。此外，由于 SiP 層壓板內存在銅線，可能需要使用超短脈沖 (USP) 激光器進行加工，這可能會產生過多熱量，從而導致出現分層現象�？紤]到這些因素，我們使用 MKS/Spectra-Physics IceFyre® GR50 高功率綠光皮秒激光器進行了大量實驗，目的是優化 SiP 相關材料的切割工藝。

圖 1. 用綠光皮秒脈沖切割的 FR4 板（厚度為 200 µm）的入射面（左）和出射面（右）視圖

SiP 板的主要組成部分是薄型（或“超薄型”）玻璃纖維增強環氧層壓材料 (FR4)，厚度通常為 100-250 µm。由于 FR4 中的玻璃纖維和環氧樹脂成分不均勻，且具有不同的光學和熱學特性，因此對 FR4 進行激光切割是一項極具挑戰性的工作。當用激光器加工較厚的 FR4 時，通常須注意避免過度加熱和熔化，這可能導致碳化不良。對于較薄的 FR4，當使用皮秒脈沖寬度時，過度加熱相對容易避免。圖 1 顯示使用 IceFyre GR50 激光器切割 FR4（厚度為 200 µm）后的入射面和出射面。

圖 2. 圖 1 中切口的 SEM 側壁視圖，顯示纖維端面僅有輕微熔化

利用激光器在 500 kHz 脈沖重復頻率 (PRF) 下的 50 W 額定輸出，以及在 4 m/s 的掃描速度下優化的高速多次工藝，可使有效切割速度達到 83 mm/s。入射面顯示僅有少量的碎片沉積，并形成了一個約 10 µm 的明顯熱影響區 (HAZ)。通過 SEM 成像查看橫截面（圖 2）時，圖像顯示出這是一次高質量的切割，可清楚地看到每一根纖維，且只有輕微的熔化跡象

圖 3. FR4 切口的 SEM 側壁視圖，顯示出卓越的切割質量，且纖維熔化程度非常低。

對于使用 USP 激光器進行的許多工藝，通�？梢詫Ω哔|量結果進行進一步的改善，以達到更高的質量水平。例如，如果打算在切割 FR4 時進一步減少玻璃纖維的熔化量，那么進行諸如降低激光脈沖能量或 PRF、增大光束掃描速度等調整，可以達到理想的預期效果，如圖 3 所示。

這一結果清楚地表明，USP 激光器可以在敏感材料中產生出色的切割效果，而且熱化程度非常低。

圖 4. 較高速度切割結果的激光入射面顯微鏡圖像，顯示表面切割質量出色，但在埋入銅線的周圍存在發熱現象。

在展示出卓越的薄型 FR4 切割能力并確定可實現的產量后，該激光器隨后被用于切割薄型 SiP PCB 基板材料。該材料由超薄型 FR4（約 100 µm 厚）和聚合物阻焊保護層組成，兩面均層壓，并包括沿預定切割路徑分層的間歇性內嵌銅線。所有層的總厚度為 200 µm。由于存在包含內嵌銅線的多個層，預計對一些工藝進行微調將有助于實現最佳質量結果。因此，在確定以實現高產量為目標的工藝后，對參數進行了調整，以專注于提高質量結果。

結果表明，這樣的做法頗有成效。在全功率運行激光器以進行高速加工的情況下，切割入射面的俯視顯微鏡照片（圖 4）表明，內嵌銅線確實對切割質量有一定的影響。雖然表面質量總體優秀，切邊質量良好，并且僅有一個小的碎片區，但有證據表明，銅層周圍的過度加熱導致其周圍的聚合物 FR4 材料被輕微侵蝕，從而導致銅線從側壁輕微突出。該工藝的有效切割速度為 57 mm/s。

因此，盡管以產量為中心的工藝通常能實現良好的質量，但仍有改進的空間。將激光功率水平調低 50%，并對其他各種參數進行調整，使質量得到了進一步改善，如圖 5 所示。該結果是在凈切割速度為 38 mm/s 的情況下實現的。因此，在充分利用功率的情況下（例如，使用雙光束分光配置），整體的綜合切割速度相當于 76 mm/s，比單光束在全功率下的速度高 33%。

圖 5. 使用 50% 的激光功率進行切割的入射面圖像顯示，在使用全功率時已經取得了良好的效果。

圖 5 中的左側圖像為表面聚合物層的圖像，與全功率結果相比，僅有輕微碎片沉積，且切割路徑未出現偏差。同樣地，右側圖像顯示，在遠離切口邊緣的方向上，埋入的銅線僅有幾乎無法檢測到的突起。通過查看激光切口的側壁橫截面，可以進一步了解結果的質量，如下圖 6 中的 SEM 圖像所示。

圖 6. SEM 圖像顯示使用 50% 的激光功率進行切割的 SiP 板側壁。

SEM 圖像顯示，使用 50% 的激光功率時，側壁燒蝕程度非常低。優異的質量具有顯而易見的明確指標，如個別纖維端面可檢測到無熔化 / 低熔化，層間無分層，銅線燒蝕程度低，且銅線內及周圍無熔化或變形。

對于外形尺寸不斷縮小的電子器件，SiP 架構能夠提升其性能，而通過激光器分離封裝器件是一項非常重要的工作。盡管納秒脈沖激光器有時可以滿足要求，但密集封裝的集成電路與各種子封裝元件之間的近距離會帶來嚴峻的挑戰。利用 USP 激光技術，特別是綠光（和紫外光或 UV）激光器，可以實現高產量。通過細致的激光和工藝參數調整，可以實現卓越的切割質量，且僅會實現最低限度的熱影響。

IceFyre 工業皮秒激光器

IceFyre GR50 在 500 kHz 且脈沖能量 >100 µJ 時提供 >50 W 的綠光輸出功率。IceFyre UV50 是市面上表現優異的紫外皮秒激光器，在 1.25 MHz (>40 μJ) 時提供 >50 W 的紫外輸出功率，脈沖串模式下的脈沖能量為 100 μJ，脈沖寬度為 10 ps。IceFyre UV50 設定了從單次激發到 10 MHz 的功率和重復率的新標準。IceFyre UV30 提供 >30 W 的典型紫外輸出功率，脈沖能量 >60 μJ（脈沖串模式下脈沖能量更大），具有從單次激發到 3 MHz 的優異性能。IceFyre IR50 在 400 kHz  單脈沖時提供 >50 W 的紅外輸出功率，具有從單脈沖到 10 MHz 的優異性能。IceFyre 激光器的獨特設計利用光纖激光器的靈活性和 Spectra-Physics 獨有的功率放大器能力，實現 TimeShift ps 可編程脈沖串模式技術，可提供業內較高的多功能性。每臺激光器均配備一組標準波形；可選的 TimeShift ps GUI 可用于創建自定義波形。該激光器的設計可為高掃描速度的優質加工（例如使用多面掃描鏡）實現同類激光器中時間抖動極其低的按需脈沖 (POD) 和位置同步輸出 (PSO) 觸發功能。

作者：Resource 館主

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