Лазерный мир

В статье пересматриваются основы лазерной маркировки, а также современные и появляющиеся лазерные технологии.

Лазерная маркировка устанавливается в нескольких областях производства полупроводников, и приложения продолжают диверсифицироваться. Существует несколько лазерных технологий, обслуживающих прикладное пространство. В этой статье рассматриваются основы лазерной маркировки и современные и новые лазерные технологии, которые они используют. Анализ призван дать четкое представление о том, какие параметры приложения приводят к выбору лазера (скорость, стоимость, разрешение и т. д.) и предоставляют разработчикам нового приложения некоторые рекомендации по выбору оптимальной технологии.

Основы лазерной маркировки

Лазерная маркировка обычно влечет за собой появление видимого цвета или изменения текстуры на поверхности. Альтернативно, хотя реже, маркировка иногда предполагает получение макроскопического изменения рельефа поверхности (например, гравирование). Чтобы понять, какой лазерный тип лучше всего подходит для конкретной маркирующей программы, полезно изучить различные взаимодействия между лазером и материалом, которые генерируются обычно используемыми типами лазера.
Чаще всего лазеры обеспечивают высокую контрастность благодаря тепловому взаимодействию с обрабатываемой деталью. То есть материал нагревается до тех пор, пока он не подвергнется химической реакции (например, окислению) или изменению кристаллической структуры, которая вызывает желаемый цвет или изменение текстуры. Однако особенности этого процесса значительно различаются между различными материалами и типами лазеров.

Лазеры CO2 широко используются для маркировки печатных плат, поскольку они обеспечивают быстрый способ создания высококонтрастных маркировок.

Однако они редко выбираются при маркировке на уровне матрицы или пакета. Это связано с тем, что сфокусированный размер пятна масштабируется с длиной волны из-за дифракции. Лазеры CO2 используют самое длинноволновое инфракрасное (ИК) излучение для любого маркирующего лазера. Кроме того, ИК проникает глуьоко во многие материалы, что может вызвать значительное тепловое воздействие на окружающие структуры. Следовательно, маркировка CO2-лазером ограничивается созданием относительно больших объектов, где может допускаться значительная зона теплового воздействия (HAZ).

Волоконные лазеры, которые обеспечивают высокую мощность в ближнем ИК-диапазоне, появились за последние несколько лет как один из самых экономичных инструментов для высокоскоростной маркировки.

Кроме того, внутренняя конструкция волоконных лазеров обеспечивает компактный отпечаток в фокусе, облегчая интеграцию в маркировочные и тестовые манипуляторы. Экономия и экономия места еще более усиливаются, когда мощность одного высокомощного волоконного лазера разделяется, подавая две системы сканера.

Рис. 1. PowerLine Pico 10-532 IC, короткоимпульсный лазер для маркировки ультрамелких деталей.

Но у волоконных лазеров есть и недостатки.
Одной из причин низкой стоимости многих волоконных лазеров является то, что они производятся в больших объемах с использованием конструкций, предназначенных для применений общего назначения. Например, они обычно создают высококачественный луч с профилем интенсивности Гаусса. Это выгодно для многих применений обработки материалов, но не всегда для лазерной маркировки. Фактически, более равномерное распределение интенсивности пучка, называемое плоским профилем, иногда более полезно, поскольку оно создает метки с более резким, более резким краем (а не плавным переходом от отмеченного к немаркированной области).

Недавно Coherent представила новый тип волокна (технология волокна NuBEAM Flat-Top), которая позволяет эффективно преобразовывать одномодовые лазерные лучи в профили луча с плоской вершиной, в частности, для решения этой проблемы.

Других критериев качества, таких как линейная поляризация высокой чистоты, а также стабильности энергии импульса и ширины импульса, трудно достичь с помощью недорогих волоконных лазеров. Это ограничивает их использование в более строгих или чувствительных приложениях маркировки. С практической точки зрения большинство волоконных лазеров не могут быть отремонтированы в полевых условиях, но только заменены в целом. Это приводит к увеличению времени простоя оборудования и увеличению затрат на техническое обслуживание по сравнению с традиционными маркировочными лазерами на основе полупроводниковой технологии с диодной накачкой (DPSS) (в частности, DPSS используется здесь для обозначения лазеров с кристаллическими резонаторами).

Лазеры DPSS также излучают в ближней инфракрасной области спектра. Как правило, эти лазеры более дорогие, чем волоконный лазер с одинаковым уровнем выходной мощности. Таким образом, инфракрасные лазеры DPSS наиболее часто используются в приложениях, имеющих технические требования, которые не могут быть удовлетворены с помощью волоконных лазеров, таких как высокопроизводительное производство более продвинутых и дорогостоящих полупроводниковых приборов.

Рис.2, IC сборка стандартной толщины отмаркирована 30 Вт излучением DPSS лазера PL E Air 30D IC

Рис. 3. Сбока LED на керамике, отмаркированная наносекундными импульсами волоконного лазера PowerLine 20 Varia IC

Одним из преимуществ лазерной технологии DPSS является то, что она может быть сконфигурирована так, чтобы непосредственно создавать многомодовый профиль луча, который по существу плоский.

Coherent | Rofin PowerLine E Air 30-1064 IC — пример, который нашел широкое применение в маркировке полупроводников, поскольку он обеспечивает эффективный способ быстрого получения очень высоко контрастных меток.

Еще одна полезная особенность лазеров DPSS, которые генерируют ширины импульсов в наносекундном режиме, заключается в том, что их выход намного стабильнее, чем у волоконных лазеров. Это значительно облегчает надежную частоту при удвоении или утроении частоты инфракрасного излучения внутри лазерной головки, что дает возможность выбора выхода в зеленом или ультрафиолетовом (УФ) излучении.

Выход на этих длинах волн дает два существенных преимущества. Во-первых, они предлагают дополнительные возможности для сопряжения поглощения материала с длиной волны лазера. Более сильное поглощение обычно дает более высокую эффективность маркировки и уменьшает HAZ, поскольку лазерный свет не проникает слишком глубоко в материал. Второе преимущество более коротких длин волн — это способность фокусироваться на меньших размерах пятна (из-за их более низкой дифракции) и производить меньшие, более мелкие метки.

Однако частотно-преобразованные DPSS-лазеры, как правило, являются более дорогостоящими и объемными, чем волоконные лазеры или инфракрасные лазеры DPSS с сопоставимой выходной мощностью. Уменьшенная мощность преобразуется в уменьшенную скорость маркировки.
Следовательно, зеленые и УФ-лазеры DPSS обычно используются, когда они дают значительное преимущество из-за конкретных характеристик поглощения маркированного материала (ов) .

Еще один новый и важный класс маркирующих лазеров имеет ширину импульса излучения в субнаносекундном диапазоне. Из-за характера взаимодействия лазер / материал при коротких импульсах эти лазеры имеют тенденцию производить наименьший возможный HAZ с отличным контролем глубины.
В настоящее время на рынке существует всего несколько продуктов, которые используют это свойство. Одним из примеров является PowerLine Pico 10 от Coherent | Rofin, который генерирует импульсы импульсов 0,5 нс в ближнем ИК-диапазоне (общая мощность 8 Вт) или зеленый (общая мощность 3 Вт) при частоте повторения импульсов между 300 кГц и 800 кГц. Такое сочетание выходных характеристик позволяет высокоскоростную маркировку широкого спектра материалов, где глубина проникновения маркировки должна быть невысокой из-за низкой толщины материала или минимизации HAZ.

Лазерная маркировка сегодня

Как правило, первое соображение при выборе лазера для конкретного применения соответствует характеристикам поглощения материала с длиной волны лазера. Аналогичным образом, желаемый размер отпечатка также зависит от длины волны лазера, а также от точности системы сканирования луча. Далее, ограничения HAZ обычно определяют максимальную ширину импульса, которую можно использовать (хотя этот выбор снова сильно зависит от материала). Чтобы увидеть, как эти параметры взаимодействуют на практике, полезно рассмотреть некоторые приложения реального мира.

Рис. 4. Пакет cборок LED , отмаркированный волоконным лазером Coherent PL F20-1064 IC

ЭПОКСИДНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ СМЕСИ

Наиболее часто используемые формовочные соединения очень хорошо поглощают в ближнем ИК-диапазоне. В частности, ближний ИК-лазер преобразует обычно черное формовочное соединение в серый / белый порошок, что дает высокие контрастные метки. Кроме того, многие сборки IC имеют составные колпачки из пресс-формы, достаточно толстые, чтобы легко переносить глубину маркировки от 30 до 50 мкм. В результате в настоящее время используются многие системы маркировки, основанные на ближних ИК-лазерах, как волоконных, так и DPSS.
Однако некоторые полупроводниковые приборы с малым форм-фактором имеют только тонкие колпачки для изготовления пресс-формы для защиты прочно связанных кремниевых матриц и требуется глубина маркировки всего 10 мкм или менее. Зеленые лазеры все чаще используются для этого типа мелкой маркировки из-за более сильного поглощения на этой длине волны эпоксидной матрицей.

Керамика

Окно процесса при маркировке керамики, например, используемое в силовых полупроводниках, светодиодах высокой яркости, радчастотных устройствах, гребенчатых фильтрах или сенсорах MEMS, является относительно узким. Точный фокус и высокая энергия импульса имеют решающее значение для обеспечения надежных результатов маркировки, и в идеале лазерный маркер должен иметь возможность настраивать фокус лазерного луча на керамическую поверхность в реальном времени, чтобы компенсировать изменения высоты упаковки. Благодаря их более надежному взаимодействию с керамическими материалами, DPSS-лазеры на основе Nd: YAG, которые обеспечивают высокую энергию импульсов и относительно длинные импульсы, часто по-прежнему используются для маркировки керамических крышек и подложек. Coherent | Rofin также разработал специальный волоконный лазер (PowerLine F 20 Varia IC), который предлагает регулируемую ширину импульса до 200 нс, в частности, для улучшения окон процесса для маркировки приложений такого типа.

Керамические подложки, используемые с мощными светодиодами, часто требуют крошечных меток для идентификации отдельных устройств. ИК-лазеры являются предпочтительными лазерами для маркировки этих керамических подложек, обеспечивая их размер пятна не слишком большой для маркировки. Для очень небольших функций маркировки часто требуется зеленый лазер или УФ-лазер.

Рис. 5.
а) маркировка на свинцовом покрытии.

Органические субстраты

Подложки IC или интерподеры маркируются во время производства с помощью прослеживаемых матричных кодов данных. Тонкий слой зеленого паяного резиста поверх подложки должен выдерживать маркировку, и необходимо принять меры к тому, чтобы медь под слоем припоя не подвергалась воздействию. Более того, матричные коды данных могут быть довольно маленькими, размер ячеек составляет всего 125 мкм или даже меньше. Так как размер пятна сфокусированного лазерного луча, таким образом, должен быть намного меньше размера ячейки, конечный диаметр пятна должен быть значительно меньше 100 мкм.
Неисправные субстраты IC часто идентифицируются путем маркировки больших объектов (например, креста) в слой припоя. Хотя часть неисправна, свойства метки по-прежнему важны. Это связано с тем, что она должна быть надежно распознана с помощью инструментов обработки, а также потому, что любое расслаивание слоя припоя может вызвать проблемы во время последующих процессов.

Полоски IC имеют золотые подушечки вдоль их периферии, которые используются для идентификации деталей, которые считаются дефектными после прикрепления и соединения проволоки. Для дефектных деталей золотая подушка отмечена путем преобразования ее цвета с золотого на черный или на темно-серый.

В идеале желательно иметь один лазерный маркер, который может выполнять все три из этих задач приложений маркировки. Зеленый лазер DPSS стал стандартным лазерным маркером для этих приложений, причем ультрафиолетовые лазеры иногда используются для высококачественных подложек.

Полупроводники

Растущий спрос на флип-чип-устройства, упаковку на уровне слоя покрытия и дефектную идентификацию штампов приводят к необходимости прямой маркировки кремния, GaAs, GaN / сапфира или других полупроводников. Кремний частично прозрачен в ближней ИК-области, и лазеры на этой длине волны используются, когда требуются глубокие метки в кремнии, такие как размещение идентификаторов пластин вблизи края пластины.

Однако для маркировки либо флип-чипов, либо обратной стороны пленки с покрытием, зеленые лазеры являются предпочтительными из-за сильного поглощения этой длины волны в кремнии. Маркировка задней поверхности покрытия требует только очень мелких отметок, а мелкое проникновение лазера позволяет избежать возможного повреждения схемы на обратной стороне флип-чипа или пластины. Необходимость неглубокой маркировки также сводит к минимуму потребность в мощности лазера. Например, Coherent | Rofin обеспечивает зелёный лазер 6 Вт (PowerLine E 12 SHG IC), который хорошо подходит для маркировки обратноймстороны пластины, а также может маркировать пластину через ленту всякий раз, когда пленка с покрытием установлена на пленочной раме.

Металлы

ИК-лазеры широко используются для маркировки металлических крышек, используемых с микропроцессорами и другими ИС с высокой потребляемой мощностью.
Лицевые каркасы, покрытые оловом, серебром или золотом, маркируются либо до, либо после нанесения покрытия. Поскольку свинцовые покрытия используются для чувствительных к стоимости устройств, капиталовложения являются критическими, и по этой причине часто выбираются экономичные волоконные лазеры.

Лазерная маркировка завтра

Поскольку пакеты (сборки) становятся тоньше и меньше, им потребуются более мелкие метки с более высоким разрешением. Субнаносекундные лазеры являются наиболее перспективным методом для изготовления этих маркировок и совместимы с широким спектром материалов. Разнообразные возможности этой технологии показаны на рисунке 5, где показаны результаты маркировки на четырех разных материалах с использованием субнаносекундного лазера (Coherent | Rofin PowerLine Pico 10-532 IC).
Первое изображение представляет собой гибкую подложку из IC; очень тонкие резистивные слои припоя и металлическими покрытиями делают неободимым, чтобы лазер не вызывал расслаивания. Здесь круглая золотая подушка была превращена в черный цвет без расслоения. На следующем изображении субстрат IC получил белую метку, опять же без расслаивания припоя.

Третье изображение показывает очень маленькие символы ( Конечным изображением является медная свинцовая рамка с тонкой серебряной пленкой. Здесь цель состоит в том, чтобы произвести мелкую метку с высокой контрастностью без гравировки подслойного материала, который был выполнен с помощью субнаносекундного лазера.

Вывод

Изготовление и упаковка полупроводников представляют собой сложные маркировочные применения, часто требующие небольших мелких меток, которые не оказывают существенного влияния на окружающий материал. Общая тенденция к меньшим и более тонким геометриям устройств будет способствовать более широкому использованию лазерных инструментов с более высокой точностью, таких как лазеры с зеленым и ультрафиолетовым излучением, а также субнаносекундные лазеры, в то время как чувствительные к стоимости приложения будут продолжать использовать недорогие волоконные лазеры.

BY DIETRICH TÖNNIES, Ph.D. and DIRK MÜLLER, Ph.D., Coherent Inc., Santa Clara, CA

Laser marking is established at multiple points in semiconductor production and applications continue to diversify. There are several laser technologies servicing the application space. This article reviews the basics of laser marking and the current and emerging laser technologies they utilize. It is intended to give a clear sense of what applications parameters drive the choice of laser (speed, cost, resolution, etc.), and provide those developing a new application some guidance on how to select the optimum technology.

Источник на английском языке:
http://electroiq.com/blog/2017/09/laser-marking-meets-diverse-challenges-in-fab-and-packaging/