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激光器应用于智能手机制造的实例介绍

激光器应用于智能手机制造的实例介绍 2011年12月02日 来源： 出于制造成本考虑，制造商需要生产功能更强大、但更小和更节能的设备，因此，激光技术在半导体以及微电子制造过程中的作用正在急剧增强。与现有的智能手机相比，下一代产品需要具备更强大的处理能力和高质量显示屏，而且这种趋势日益显著。零部件制造商已经逐渐转向具备高分辨率、高能量以及低损伤加工特性的紫外（UV）和深紫外（DUV）激光器来实现智能手机的生产。 本文阐释了激光器应用于智能手机制造的实例，并对因应未来需求而研发的新激光技术进行了综述。 晶片切割 智能手机所需的小物理尺寸与高性能需要较薄的内存晶片（用于先进的封装）以及组成低电介质的晶片，以改进功耗。这两种晶片对传统模具切割（采用锯）方式提出了挑战。特别是，低电介质具备高多孔性、柔软性以及低粘附性，令传统的锯切割难以应对。目前， “半切割”的激光划片已经成为用于切割低电介质最普遍的方法。 图1 一种半切割激光器的示意图;其中,紫外激光器和常用的锯均用于切割。 在这一过程中，激光器被用于切穿软质外延层，从而使软质外延层在模具上绝缘，并使其边缘层相对清洁，没有损坏。随后硅片将被机械锯切而无须担心外延层与锯片接触。 对内存晶片而言，机械锯切在工业中仍然居于主导地位；但是随着晶片变薄，机械锯切会产生裂缝或断裂，由此必须较慢地进行，因而降低了产能。我们可以利用激光完全切穿晶片，以避免这些问题。对于100 m以下的晶片厚度，可以预期激光切割与锯切之间的总成本相仿；对50 m以及更小晶片所做的激光加工，它将更具优势。 当前，类似Coherent公司AVIA系列355-23-250这样的半导体泵浦固体激光器，已经针对晶片划片做了特殊的设计和优化，并且成为切割应用的首选设备。短波长带来小的热影响区域（HAZ），并且调Q激光器的短脉宽（数十纳秒）意味着每个脉冲的热能被减小到最低限度，并且可以在下一个脉冲到达之前通过传导而消散。高重复频率以及高功率降低了总拥有成本（COO），从而促使制造成本下降。 未来趋势：采用更高精度切割可以带来加工简单化以及精度方面的益处。近来出现的工业用皮秒激光器成为了一种有效的解决方法。皮秒脉冲主要通过称为多光子吸收的光学过程去除材料。这是一个相对冷（非热）的过程，可以带来比纳秒激光器更优异的边缘质量，从而提高成品率，并且有可能无须进行后续加工。Coherent公司的Talisker系列激光器在355 nm波长下提供了4 W的输出，脉冲宽度为15 ps，这种全新的工业皮秒激光器已经通过实践证明了其提供前所未有的超高精度、速度以及可靠性的能力。 图2 AVIA系列的355-23-250为晶片划片进行了优化。 激光直接成像 智能手机中，将更多电路安装到更小空间的需求导致了越来越多地使用高密度互连（HDI）电路板，而激光直接成像（LDI）在生产这种电路板方面已成为一项关键的技术。在LDI中，锁模的紫外激光器可将图案直接成像到涂有光刻胶的面板上，完全排除了使用传统的成像工具（即胶片）。LDI最明显的好处是节省了与这些成像工具的生产、使用、处理以及存储有关的时间和成本。LDI还提供了明显优于传统的接触印刷制备方法的精度。 Coherent公司的Paladin系列激光器是专门为满足LDI以及其他需要可靠、高功率紫外激光光源的应用而开发的。Paladin系列是锁模的半导体泵浦三倍频固体激光器，波长355 nm，输出功率可以高达16 W。Paladin系列的全固态构造坚固耐用、具有高可靠性和长寿命，并且具备卓越的模式质量和极好的指向稳定性、功率稳定性以及噪声特性。16 W的输出功率可以在保持足够的加工产能的同时，使用较廉价的干膜。 钻孔 制造HDI电路板的另一个重要步骤是钻微孔，这实现了电路板中的各不同层之间的电连接。与其他竞争技术相比，激光钻孔提供了相当大的实用性和成本优势，因此激光钻孔已经成为微孔生产的首选方法。例如，随着孔直径越来越小，直至250 m以下，机械钻孔变得越来越昂贵，而对于150 m以下的孔则几乎无法胜任。 大多数用于智能手机电路板的微孔钻孔是利用在100 W至500 W的功率范围内的CO2激光器来完成。其中的一个典范是Coherent公司DIAMOND K - 225i，该激光器产生9.4 m的波长和高达225 W的功率。由于包括FR4、树脂涂层铝箔（RCC），聚酰亚胺、聚四氟乙烯以及芳纶在内的电介质材料在该波长处呈现了显著高于常见的10.6 m的CO2输出波长的吸收，使得9.4 m波长具有更高的价值。另外，Coherent公司DIAMOND K - 225i也证明了高光束质量对于在加工表面达到足够小的聚焦光斑是必须的。 未来趋势：半导体泵浦固体紫外激光器也用于钻微孔。这些激光器的短波长和高光束质量可提供更小的聚焦尺度。相对于CO2激光器（能产生100 m大小范围内的大多数微孔），小的焦点以及紫外固体激光器较低的平均功率（与CO2相比）使得紫外固体激光器处于不利地位。然而，随着设备小型化的趋势仍在继续，以及对于较小的微孔的需求增加，这些激光器的应用将会扩大。表1提供了CO2激光器与紫外固体激光器在该应用方面的全面对比。 低温多晶硅淬火 用于诸如iPhone等高端智能手机的显示屏是基于多晶硅，而非大多数平板显示器所采用的非晶硅。多晶硅具有明显高于非晶硅的电子迁移率。因此，基于多晶硅技术的液晶显示器（LCD）可以提供更高的分辨率和亮度、更宽的视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显示器驱动电路成为可能，从而促进正在进行中的小型化工艺。 基于准分子激光器的低温多晶硅（LTPS）淬火是目前显示器制造过程中加工多晶硅层的首选方法。这是因为它可以在温度低至200℃时执行，而无需使用昂贵的石英或热玻璃衬底。目前，使用最广泛的LTPS技术被称为准分子激光淬火（ELA）。 在ELA中，308 nm准分子激光器的矩形光束被光学匀化，并整形为一条细长的能量分布高度均匀的直线（典型的大约为465 mm×0.4 mm）。这条直线光斑被导引到硅涂层衬底上，然后进行扫描。 硅可以有效地吸收308 nm的波长，实现对每一个脉冲几乎完全的利用。由于晶体在垂直方向上的生长，导致了在融合硅与剩余的未融合硅的界面处开始的高效结晶化过程。 ELA需要准分子激光器具有高脉冲能量（1J）、达到几百赫兹的高重复频率以及高能量稳定性。高脉冲能量使每个脉冲能作用在更大的面积上。而高重复频率是实现预期产能所必需的。传统的准分子激光器或提供高脉冲能量或提供高重复频率，但两者无法同时实现。Coherent公司为满足ELA需求而提供了在重复频率为300 Hz下提供1J脉冲能量的LAMBDA SX。 图3 LDI工作原理的示意图触摸屏ITO刻蚀 在过去几年中，触摸屏的成本一直在稳步下降，智能手机的触摸屏正变得越来越常见。例如，全球触摸屏销售额在2007年约为12亿美元，预期在2012年将达到50亿美元以上。目前，制造触摸屏主要有三种技术：电阻、电容和表面声波技术。电阻和电容技术通常用于中小型屏幕智能手机中。虽然电阻技术在市场居于主导地位，但是iPhone使用的电容技术允许多点触摸同时检测，这项技术受欢迎的程度可望在未来几年中得以提升。 典型的触摸屏面板包括顶部保护层、粘合层、被刻蚀的透明导电氧化物（一般是ITO）层以及玻璃衬底组成。一些制造商使用半导体泵浦固体紫外激光器，通过TCO层来刻划一系列宽度约为25 m至50 m的线。在某些情况下，紫外DPSS激光器还用于去除TCO，以产生穿过装置正面的更线性的响应。 与诸如光刻的传统ITO刻蚀技术相比，紫外激光加工具有若干优势。特别是，基于激光的加工提供了更高的产能，更高的加工灵活性以及达到较小尺度的能力避免了湿化学物质及其带来的安全性和环境污染问题。 通常用于触摸屏刻蚀的激光器是半导体泵浦紫外激光器，例如Coherent公司AVIA355-20在355 nm时输出超过20 W。这种激光器不仅可以轻松地提供触摸屏刻蚀所需的加工尺度，而且更重要的是，短波长不会深入衬底，这意味着在脆弱的薄玻璃或塑料衬底上的热负荷会非常小。 结论 多种紫外激光器已经成为各类微电子生产应用中的重要工具，这是由于他们可以支持电路尺寸更小的趋势，而且可以实现比其它技术（尤其是湿化学方法）更环保和更经济的工艺。随着个人电子设备的小型化和多功能趋势的延续，我们预期更多需要激光的新应用。相信，随着制造商持续寻求能够低成本制造下一代个人微电子产品的更好途径，紫外激光器将日益受到青睐。

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