引言
隨著工業技術的高速發展，高準確度微小孔應用在各行業中，其發展趨勢是孔徑小、深度大、準確度高、應用材料廣泛(如高強度、高硬度、高韌性、高熔點的金屬、陶瓷、玻璃、高分子材料、晶體等物質)。傳統的微孔加工技術主要包括機械加工、電火花、化學腐蝕、超聲波打孔等技術，這些技術各有特點，但已經無法滿足更高的微孔加工需求。比如，機械加工對高硬度、高脆性的材料效率很低，很難加工小於0.2mm的孔；電火花只能加工金屬材料。雷射打孔具有效率高、極限孔徑小、準確度高、成本低、幾乎無材料選擇性等優點，現已成為微孔加工的主流技術之一。
雷射旋切鑽孔技術
當前雷射鑽孔最常用的加工方式為振鏡掃描，可逐層環切掃描或螺旋掃描，但振鏡掃描的不足之處是無法避免錐度，如圖1所示，在制孔過程中，由於聚焦雷射光束的發散和多次反射現象，材料燒蝕速率會隨著制孔深度的增加急劇下降。因此，在較厚材料上製備較大深徑比的微孔更有難度。
圖1 在淺孔和深孔加工時的多次反射[1]
因此，得到高深徑比（≧10:1）、加工質量高、零錐甚至倒錐的微孔是具有挑戰的，對於此類需求，最合適的加工方法是採用旋切頭模組，這種旋切頭不但可以使光束繞光軸高速旋轉，還可改變光束相對材料表面的傾角β，改變β值就可實現從正錐到零錐甚至倒錐的變化。當前常用的旋切頭模組集中在四光楔掃描頭、道威稜鏡掃描頭和平行平板掃描頭，他們的光學原理大同小異，通過光學器件使進入聚焦鏡的光束進行適當的平移和傾斜，依靠高速電機的旋轉使光束繞光軸旋轉，如圖2所示。
圖2 不同錐度的孔的成形原理[2]
圖3為四光楔掃描裝置光路圖，圖中左側兩個大角度光楔可以實現入射光束的平移，改變二者間距可以調整加工孔錐度；右側兩個小角度光楔組合實現人射光束的角度偏轉，使聚焦後的光斑偏離聚焦鏡光軸。工作時，四個光楔依靠伺服電機同步旋轉，實現焦斑繞聚焦鏡光軸旋轉掃描去除該圓周上的材料，同時沿光軸方向微量進給，最終實現不同孔徑、錐度和深度的圓孔加工。為了實現四個光楔的同步旋轉和左側兩光楔的間距調整，該裝置一般採用複雜的鼠籠式結構。
圖3 四光楔掃描裝置系統[2]
圖4為道威稜鏡掃描系統光路圖，道威稜鏡安裝到一個高速旋轉的空心力矩電機上，稜鏡旋轉一次可使雷射旋轉掃描兩次。準直後的雷射東經過前端的角度偏轉和橫向平移後進入道威稜鏡和調整光楔，最後通過聚焦鏡聚焦到工作平面，實現環切掃描鑽孔。三個光楔通過偏擺和旋轉補償道威稜鏡的加工、裝配誤差，這種裝置可實現光斑2倍於轉速的自轉，避免了光斑質量對孔質量的影響，但對道威稜鏡的加工準確度和裝配準確度要求很高，後續的三光楔補償調整結構也相對複雜，對於批量生產的工程應用具有一定的局限性。
圖4 道威稜鏡旋轉掃描系統[2]
圖5為平行平板掃描系統光路圖，把平行平板代替了四光楔模組中的平移光楔，將平行平板按照一個固定角度傾斜放置來產生光束的平移，其最大優點是成本較低和使用壽較長， 缺點是加工不同錐度的錐孔時，需要調節平行平板的傾角，必須將平行平板重新安裝，而且由於加工時震動的存在，橫向位移的精度不易保證。
圖5 平行平板掃描系統[3]
旋切鑽孔技術在半導體行業的應用
01
探針卡（Probe card）
探針卡是晶圓測試中被測晶片和測試機之間的接口，主要應用於晶片分片封裝前對晶片電學性能進行初步測量，並篩選出不良晶片後，再進行之後的封裝工程。它對前期測試的開發及後期量產測試的良率保證都非常重要，是晶圓製造過程中對製造成本影響相當大的重要製程。
隨著晶片的設計越來越小，密度越來越大，這就要求探針卡越來越多的針數，相鄰針尖間距從毫米及發展到幾十微米，導盤的孔徑和孔間距也必須相應的越來越小，同時矩形和不規則形狀的孔也是一種趨勢。當前國內應用最廣泛的探針卡是懸臂梁方式的環氧探針卡，高端器件用的晶片測試仍採用進口的垂直探針卡。
圖6 探針導向板的上蓋（UD）和下蓋（LD）
圖6為垂直式探針卡導向板的上蓋（UD）和下蓋（LD）。探針導向板微孔參數分別由晶片設計的測試點設置、所用的探針直徑而定，一般而言，加工孔徑20-200μm，孔間距40-200μm，厚度0.1-1mm，孔型孔壁要求垂直，位置精度高。導向板材質多為陶瓷和氮化矽（Si3N4），氮化矽被越來越多的應用於新一代探針卡，但氮化矽極高的硬度使得它無法像傳統可加工陶瓷一樣採用機械加工，而常規的雷射打孔方式也無法滿足要求。
而雷射旋切鑽孔技術則很好的解決了上述問題，既不受材料限制，又可加工高深徑比的無錐度孔。英諾雷射利用自主開發的雷射旋切鑽孔技術對探針卡微孔加工做了大量研究與實驗，當前可實現最小孔徑25μm，深徑比≧10:1，最大厚度達1mm的加工能力，圖7和圖8為英諾雷射在Si3N4材料所鑽微孔的顯微照片。除圓孔外，還可加工某些探針卡需求的方孔，最小尺寸可達35×35μm，R角≦6μm，並且無錐度。圖9為50×50μm的方形孔，R角約6μm。
圖7 孔徑45μm顯微照片
圖8 側壁SEM照片
圖9 探針卡50×50μm方形孔
02立針（Bonding wedges）
在半導體封裝產業中有一段製程為打線接合(Wire bonding)，利用線徑15-50μm的金屬線材將晶片(chip)及導線架(lead frame)連接起來的技術，使微小的晶片得以與外面的電路做溝通，而不需要增加太多的面積。而接合方式又分為楔形接合和球形接合，立針則主要用於楔形接合，可讓線材穿過其中，類似縫紉機中的針，線材穿過位在打線機臺上的針嘴，穿出針嘴的線材在晶片端經過下壓完成第一焊點後，線材就會與晶片上的基板連結，機器手臂上升將線引出針嘴，再將線材移往第二焊點，一邊下壓一邊截斷線材，完成一個循環，緊接著再繼續下一打線接合的循環，如圖10所示。
圖10 楔形接合過程[4]
立針材質一般有鎢鋼、鈦合金、陶瓷等，圖11為立針針尖典型形貌，圖中標紅位置為一個孔徑約50μm的微孔，當前其加工方式多為電火花，但電火花加工存在效率低，側壁易產生重鑄層等不足，但採用雷射旋切鑽孔技術搭配超快雷射器則可避免上述問題，圖12為英諾雷射使用雷射旋切鑽孔技術加工的針尖處微孔。
圖11 立針針尖典型形貌[5]
圖12 雷射旋切鑽孔技術製得立針針尖微孔
總結
雷射旋切鑽孔技術有著加工孔徑小、深徑比大、錐度可調、側壁質量好等優勢，雖然該技術原理簡單，但其旋切頭結構往往較複雜，對運動控制要求較高，所以有一定的技術門檻，並且因成本較高也限制了其廣泛應用。近幾年隨著晶片製程由7nm向5nm發展以及5G時代的來臨，半導體行業對所用器件體積越來越小的訴求是可以預見的，雷射旋切鑽孔技術作為先進的制孔方式，與機械加工和電火花加工相比優勢明顯，將有助於半導體行業的發展。
參考文獻：
[1] Friedel S , Stolberg K . Femtosecond Laser Micro Milling Using Special Trepanning Optics[J]. Laser Technik Journal, 2017, 14(2):24-27.
[2] 趙華龍, 周仁魁, 趙衛,等. 飛秒雷射倒錐微孔加工的反射式掃描裝置設計[J]. 光子學報, 2014, 043(009):98-103.
[3] 於洵, 張曉, 程光華. 雷射微孔加工中調節孔錐度的算法研究[J]. 雷射與紅外, 2012, 42(003):263-267.
[4] https://images.app.goo.gl/dqRaMy4CZRZnJhmdA
[5] http://www.dgzhouyu.com/
英諾雷射投稿，江蘇雷射聯盟轉載自：ofweek