本文主要參考長電科技韓國研究所的一篇文章“Characterization of laser beams: theory and application in laser-assisted bonding process”
本文要講的是長電科技率先開發并已經量產的激光輔助鍵合技術，該技術為了解決汽車領域特別是開發具備高可靠性標準的電動汽車和自動駕駛相關封裝技術中無芯襯底材料和工藝FCBGA產品。由于產品非常薄，普通的回流焊鍵合技術已經不能滿足需求。為解決基板翹曲等導致的BUMP Bridge及接觸不良等問題，長電開發了一種新的互連技術-激光輔助鍵合（LAB），并已應用于大規模量產，而更難能可貴的是該技術得研發投入的產出已對公司2021年的營收與盈利增長有大幅貢獻，并將在未來公司的業績增長上繼續取得顯著效果。
長電科技成立于1972年，是全球領先的集成電路制造和技術服務企業，擁有3200多項專利。長電科技在中國、韓國和新加坡設有六大生產基地和兩大研發中心，遍布全球的23000余名員工。長電科技在全球十大封裝代工廠位列第三，中國大陸第一，是一家名副其實的具備全球視野的高科技企業。
那什么是LAB（激光輔助鍵合）技術呢？LAB技術是指將激光束照射到芯粒或需要焊接的器件上使芯粒及器件數秒內由室溫升至焊接溫度，將其焊接在基板、interposer或堆疊的另外一個芯粒上。LAB整個系統由高功率二極管激光源、光纖、準直儀、以及產生平頂激光束的均化器四部分組成。激光源在連續波模式中工作，采用近紅外波長為980nm，其最大功率為2kW，光束大小為9至45毫米，焦距為240毫米，具體示意圖如圖1所示。
圖1：示意圖 Laser Source: 激光源；Optical Fiber:光纖；Collimator：準直儀；Homogenizer: 均化器；Focal Distance: 焦距；Laser Beam: 激光束
在整個工藝中，激光束的功率密度分布和空間特性異常重要。如下圖2所示，如果功率分布不均則會導致溫度不均一，從而產生BUMP 橋接或接觸不良的缺陷。在部分區域由于沒有接收到足夠功率的照射，會導致焊接溫度不足產生的接觸不良缺陷。而在另外一部分區域由于接收到過高功率的照射，則會產生BUMP橋接的缺陷。在一些極端情況下，甚至可能將芯粒或設備燒壞。因此整個工藝的難點就是如何使需焊接部件均勻受熱。當然在C4/DIE BUMP區域加熱均勻也是LAB工藝優于回流焊工藝之處。
既然能量的穩定性及可控性這么重要，那我們可以繼續討論到底當前業界可以做到什么樣的水平。圖3及圖4就是長電科技文章中發布的實驗數據，根據圖中數字我們可以看到均勻度非常不錯，在右下角芯片焊接區域的能量差異值非常微小。
圖3 在LAB加工工藝中能量密度分布圖? 每個數值代表單個像素點上測量出的模擬數值
圖4 在LAB加工工藝中能量密度分布圖在X Y及Z方向分布??
其實除了長電科技很多業界領頭公司也都做過類似的嘗試來解決焊接工藝中由于基板越來越薄，翹曲越來越嚴重等導致的焊接缺陷。但是最終大部分都停留在了理論研究中。長電科技將該工藝量產實屬不易！最后根據專家Semicon Solutions的見解，為了更好的控制芯粒及Substrate在焊接過程中的翹曲，未來最優的方案將是在LAB的工藝中，激光即熱的同時用透明的壓蓋給芯粒一定的壓力，確保焊接過程中的翹曲得到外力的控制。
作者：Semicon Solutions & 樹先生
原文始發于微信公眾號（艾邦半導體網）：先進封裝激光輔助鍵合封裝技術介紹
