一氧化碳（CO）雷射器與廣泛使用的二氧化碳（CO2）雷射器類似，都是以氣體作為工作介質產生雷射輸出。CO雷射器主要應用於科研和醫療方面，直到最近才在工業應用上嶄露頭角。本文重點關注CO雷射器在微電子製造業發揮重要作用的潛力，尤其是針對40μm以下的PCB微孔鑽孔和正在發展的雷射矽片剝離領域。
CO雷射背景
與遠紅外雷射（10.6μm）相比，光譜範圍在5－6μm之間的CO雷射在某些應用中具有兩大重要優勢。許多金屬、薄膜、聚合物、PCB介質、陶瓷和複合材料在較短的波長上有較高的吸收，因此可用較低的雷射功率來處理材料，這將有效降低熱影響區（HAZ）面積；此外，當材料在較短波長的透射率較高時，光可以穿透到材料的更深處，這對加工也是有利的。
波長較短的另一個優點是，由於衍射減弱，雷射可以聚焦到更小的光斑上，而衍射是隨波長線性擴展的。例如，在同一標準配置下，在工業應用中CO2雷射器實現最小光斑的波長在70－80μm之間，而CO雷射器則能在30－40μm間實現最小光斑。這意味著功率給定時，CO雷射焦點處的功率密度（通量）比CO2雷射高4倍。再結合在某些材料對5μm雷射有更強的吸收，使得這些材料能夠在低功率的CO雷射下進行加工。
不可否認的是，儘管CO雷射具備這樣的優點，但兩個關鍵操作阻礙其走向大規模商業化。首先，CO雷射以前只能在低溫下保持高效率運行；其次，CO雷射器的密封裝置遭受了快速的功率退化。所幸Coherent的工程師解決了這些問題。2015年，Coherent推出了一系列工業密封CO雷射器，它們能在室溫下高效運轉，其運行壽命可與CO2雷射器媲美。
目前，CO雷射器已經在陶瓷劃片、切割和鑽孔方面取得了成功。此外，還有其他潛力巨大的應用方向。
PCB通孔鑽孔
通孔鑽孔是一種重要的雷射應用，CO雷射器在這方面具有獨特的優勢。通孔是在電子印刷電路板（pcb）上鑽的小洞，其作用是使電子連接可以在層之間進行。與集成電路的發展一樣，市場需要不斷提高PCB板的電路密度，這反過來也產生了通孔孔徑更小的需求。
傳統的通孔是用機械鑽取的，這種方法仍然廣泛用於電路密度較低的PCB。而在1990年代中期，CO2雷射通孔鑽孔系統實現了100微米以下的PCB通孔的批量生產，這是與機械鑽孔系統難以實現的。目前，CO2雷射通孔鑽孔系統常用於生產孔徑在50到100μm間的通孔。
現在，隨著更高封裝密度需求的推動，通孔直徑也逐步趨向20至40μm。前文提到，CO雷射器具備將光束聚焦到更小點的能力，加上相對較高的輸出功率，使該技術成為更小通孔鑽孔應用的良好候選方案。
矽片剝離
除了傳統的PCB外，提高電路密度還會採用「高級封裝」技術，即將多個集成電路封裝在單個單元中，形成一個包含邏輯、內存及傳感器的功能單元。半導體器件的集成通常需要處理厚度小於100μm的組件，為提高稀釋、處理、轉移這些組件的效率，通常將其臨時鍵合在較厚的襯底上。
玻璃和矽都可作為這種臨時鍵合處理的襯底。雖然玻璃處理技術成熟並可達到高度的工業應用標準，但隨著對封裝工藝和材料的要求越來越嚴格，加上矽的物理特性（更高的導熱性、更匹配的熱膨脹、翹曲更少、與現有的半導體設備廣泛兼容）為其提供了諸多工藝技術優勢，人們更希望用矽來作為臨時鍵合的襯底。
在臨時鍵合後的剝離上，由於熱應力和機械應力的限制，熱滑動和機械剝離方法不如光學剝離方法有吸引力。但當前缺乏實用和低成本的光學剝離技術，這是廣泛推廣以矽作為臨時襯底的關鍵障礙。
目前用於玻璃襯底的剝離設備採用紫外雷射，但不幸的是，紫外波段對矽而言是不透明的，工業中非金屬材料加工的主力——CO2雷射器所發的遠紅外波段也在矽的透明窗口之外。目前還沒有可用於矽的雷射剝離技術。然而，室溫下的雷射矽片剝離技術是一個有吸引力的概念，它將成為矽作臨時襯底的重要推動力量。
實驗表明，典型的襯底厚度下，矽在CO輸出波長處是透明的。此外，CO雷射器有多種配置和功率範圍，可實現從納秒脈衝到連續波的輸出，功率級別達400W。這使得CO雷射器很適合處理各種釋放層和粘合劑，並與紡絲塗層和氣相沉積材料兼容。從工具集成的角度來看，CO雷射器與更成熟的CO2雷射接近，二者具有大量的接口共通性，從而為生產有價值的剝離系統提供了一條相對低風險的開發路徑。
結論
CO雷射器的中紅外輸出提供了一種過去極難獲得的光譜範圍內，這項技術的潛在應用正在探索和開發中。除了各種玻璃和陶瓷加工外，通孔鑽孔和矽片剝離是另外兩個顯示出巨大潛力的應用。
原作者：Coherent公司技術開發經理Peter Rosenthal、營銷總監Dirk Müller、產品營銷總監George Oulundsen。