Лазерная маркировка отвечает разнообразным задачам в производстве и монтаже микросхем
ИноСМИ, Лазерные технологии 16.01.2019 Комментариев к записи Лазерная маркировка отвечает разнообразным задачам в производстве и монтаже микросхем нетРассматриваются основы лазерной маркировки, а также современные и появляющиеся лазерные технологии в производстве и монтаже микросхем.
Лазерная маркировка применяется во многих сферах производства полупроводников, и ее применение продолжает расширяться. Существует несколько лазерных технологий, обслуживающих пространство приложений. В этой статье рассматриваются основы лазерной маркировки и современные и появляющиеся лазерные технологии, которые они используют. Она предназначен для того, чтобы дать четкое представление о том, какие параметры приложений определяют выбор лазера (скорость, стоимость, разрешение и т. д.), и дать тем, кто разрабатывает новое приложение, руководство по выбору оптимальной технологии.
Основы лазерной маркировки
Лазерная маркировка обычно влечет за собой видимое изменение цвета или текстуры на поверхности. Альтернативно, хотя и менее часто, маркировка иногда включает макроскопическое изменение рельефа поверхности (например, гравировка). Чтобы понять, какой тип лазера лучше всего подходит для конкретного применения маркировки, полезно изучить различные взаимодействия лазер / материал, которые генерируются обычно используемыми типами лазеров.
Российская компания разработала оборудование для автоматической лазерной подгонки резисторов |
Чаще всего лазеры производят высококонтрастные метки за счет теплового взаимодействия с заготовкой. То есть материал нагревается до тех пор, пока он не подвергнется химической реакции (например, окислению) или изменению кристаллической структуры, которая вызывает желаемое изменение цвета или текстуры. Однако особенности этого процесса значительно различаются для разных материалов и типов лазеров.
CO2-лазеры широко использовались для маркировки печатных плат, поскольку они обеспечивают быстрый метод получения высококонтрастных элементов. Однако они редко выбираются при маркировке на уровне матрицы или монтажа. Это связано с тем, что размер сфокусированного пятна зависит от длины волны из-за дифракции. CO2-лазеры излучают самый длинный инфракрасный (ИК) свет среди всех маркирующих лазеров. Кроме того, ИК проникает глубоко во многие материалы, что может вызвать существенное тепловое воздействие на окружающие конструкции. Следовательно, маркировка СО2-лазером ограничена производством относительно больших элементов, где допускается значительная зона термического влияния (ЗТВ).
Волоконные лазеры, которые обеспечивают высокую выходную мощность в ближнем ИК-диапазоне, за последние несколько лет стали одним из наиболее экономически эффективных инструментов для высокоскоростной маркировки. Кроме того, внутренняя конструкция волоконных лазеров обеспечивает компактность, облегчая их интеграцию в маркировку и тестирование обработчиков. Экономия средств и места еще больше повышается, если мощность одного волоконного лазера высокой мощности разделена на две части, что обеспечивает питание двух систем сканирования.
Но волоконные лазеры тоже имеют свои недостатки. Одной из причин низкой стоимости многих волоконных лазеров является то, что они производятся в больших объемах с конструктивными и технологическими параметрами, предназначенными для применения в технологиях общего назначения. Например, они обычно производят высококачественный луч с гауссовым профилем интенсивности. Это выгодно для многих применений обработки материалов, но не всегда для лазерной маркировки. Фактически, более равномерное распределение интенсивности луча, называемое профилем плоский верх (flat-top), иногда более полезно, так как оно производит маркировки с более резким, более четким краем (а не плавным переходом от отмаркированной области к немаркированной). Недавно компания Coherent представила новый тип волокна (технология волокна NuBEAM с распределением flat-top, который позволяет эффективно преобразовывать одномодовые лазерные лучи в профили луча с распределением flat-top, специально для решения этой проблемы.
Другие критерии качества, такие как линейная поляризация высокой степени и стабильность энергии импульса и длительности импульса, трудно достичь с помощью недорогих волоконных лазеров. Это ограничивает их использование в более жестких или чувствительных областях маркировки. С практической точки зрения большинство волоконных лазеров не подлежит ремонту в полевых условиях, а заменяется в целом. Это приводит к увеличению времени простоя оборудования и увеличению затрат на обслуживание по сравнению с традиционными маркировочными лазерами на основе твердотельной технологии с диодной накачкой (DPSS) (в частности, DPSS используется здесь для обозначения лазеров с кристаллическими резонаторами).
DPSS лазеры также излучают в ближнем инфракрасном диапазоне. Как правило, эти лазеры дороже, чем волоконный лазер с одинаковым уровнем выходной мощности. Таким образом, инфракрасные DPSS-лазеры чаще всего используются в приложениях, имеющих технические требования, которые не могут быть выполнены волоконными лазерами, например, при производстве более совершенных и дорогих полупроводниковых приборов в больших объемах.
Одним из преимуществ лазерной технологии DPSS является то, что она может быть сконфигурирована для непосредственного создания многомодового профиля пучка, который по существу является распределением flap top c плоским верхом. Лазер Coherent in Rofin PowerLine E Air 30-1064 является примером, который нашел широкое применение в маркировке полупроводников, поскольку он обеспечивает эффективный способ быстрого создания очень контрастных меток.
Еще одна полезная особенность DPSS-лазеров, которые генерируют длительность импульсов в наносекундном режиме, заключается в том, что их выходное излучение намного более стабильно, чем у волоконных лазеров. Это значительно облегчает надежную частоту удвоения или утроения инфракрасного излучения в лазерной головке, обеспечивая возможность выбора зеленого или ультрафиолетового излучения (УФ). Выход на этих длинах волн дает два существенных преимущества. Во-первых, они предлагают дополнительные опции для согласования поглощения материала с длиной волны лазера. Более сильное поглощение, как правило, приводит к более высокой эффективности маркировки и снижению зоны термического влияния (HAZ), поскольку лазерное излучение не проникает так глубоко в материал. Вторым преимуществом более коротких длин волн является способность фокусироваться на меньших размерах пятен (из-за их меньшей дифракции) и производить более мелкие, более тонкие метки.
Однако DPSS-лазеры с умножением частоты, как правило, являются более дорогостоящими и объемными, чем волоконные лазеры или инфракрасные DPSS-лазеры с сопоставимой выходной мощностью. Снижение мощности означает снижение скорости маркировки. Поэтому, как правило, используются зеленые и УФ-DPSS-лазеры, когда они предлагают значительное преимущество из-за особых характеристик поглощения маркируемого материала (материалов).
Другой появляющийся и важный класс маркирующих лазеров имеет ширину импульса в субнаносекундном диапазоне. Из-за характера взаимодействия лазер / материал при коротких импульсах, эти лазеры имеют тенденцию создавать наименьшую возможную HAZ с превосходным контролем глубины.
В настоящее время на рынке представлено всего несколько продуктов, которые используют это свойство. Одним из примеров является PowerLine Pico 10 от Coherent ❘ Rofin, который генерирует лазерные импульсы длительностью 0,5 нс либо в ближнем ИК-диапазоне (суммарная мощность 8 Вт), либо в зеленом (суммарная мощность 3 Вт), с частотой повторения импульсов от 300 кГц до 800 кГц. Эта комбинация выходных характеристик делает возможной высокоскоростную маркировку широкого спектра материалов, где глубина проникновения метки обязательно должна быть небольшой из-за малой толщины материала, или чтобы минимизировать HAZ.
Лазерная маркировка сегодня
Как правило, первое соображение при выборе лазера для конкретного применения заключается в согласовании характеристик поглощения материала с длиной волны лазера. Аналогично, требуемый размер элемента также зависит от длины волны лазера, а также от точности системы сканирования лучом. Затем ограничения HAZ обычно определяют максимальную длительность импульса, которую можно использовать (хотя этот выбор опять-таки сильно зависит от материала). Чтобы увидеть, как эти параметры взаимодействуют на практике, полезно рассмотреть некоторые реальные приложения.
Эпоксидные формообразующие компаунды.
Наиболее часто используемые формообразующие компаунды очень хорошо поглощают в ближнем ИК-диапазоне. В частности, ближний ИК-лазер превращает обычно черный формообразующий компаунд в серый / белый порошок, давая высококонтрастные метки.
Кроме того, во многих корпусах с ИС имеются составные колпачки для пресс-форм, достаточно толстые, чтобы легко переносить глубину маркировки от 30 до 50 мкм. В результате в настоящее время используется множество систем маркировки на основе ближних ИК-лазеров, как волоконно-оптических, так и DPSS.
Однако некоторые полупроводниковые устройства с малым форм-фактором имеют только тонкие составные колпачки для защиты кремниевых микросхем, соединенных проволокой, и требуется глубина маркировки всего 10 мкм или менее. Для этого типа мелкой маркировки все чаще используются зеленые лазеры из-за более сильного поглощения на этой длине волны эпоксидной матрицей.
Керамика.
Окно процесса при маркировке керамики, например, используемой в корпусировании силовых полупроводников, светодиодах высокой яркости, ВЧ-устройствах, пилообразных фильтрах или MEMS-датчиках, является относительно узким. Точная фокусировка и высокая энергия импульса имеют решающее значение для обеспечения надежных результатов маркировки, и в идеале лазерный маркер должен иметь возможность регулировать фокусировку лазерного луча на керамической поверхности в реальном времени, чтобы компенсировать изменения высоты монтажа. Из-за их более надежного взаимодействия с керамическими материалами, лазеры DPSS на основе Nd-YAG, которые предлагают высокие энергии импульсов и относительно длинные импульсы, часто все еще используются для маркировки керамических крышек и подложек. Coherent ❘ Rofin также разработал специальный волоконный лазер (PowerLine F 20 Varia IC), который предлагает настраиваемую ширину импульса до 200 нс, специально для улучшения технологических окон для маркировки приложений этого типа.
Керамические подложки, используемые с мощными светодиодами, часто требуют небольших маркировок для идентификации отдельных устройств. ИК-лазеры являются предпочтительными лазерами для маркировки этих керамических подложек, при условии, что их размер пятна не слишком велик для разметки макета. Для очень небольших функций маркировки часто требуется зеленый лазер или ультрафиолетовый лазер.
Органические субстраты.
В процессе производства подложки или вставки микросхем маркируются матричными кодами прослеживаемости данных. Тонкий зеленый проводящий слой сверху подложки должен нести маркировку, и необходимо позаботиться о том, чтобы медь под припоем не оставалась открытой. Более того, матричные коды данных могут быть довольно маленькими, с размерами ячеек всего 125 мкм или даже меньше. Поскольку размер пятна сфокусированного лазерного луча, таким образом, должен быть намного меньше размера ячейки, конечный диаметр пятна должен быть значительно меньше 100 мкм.
Дефектные ИС-подложки часто идентифицируют путем маркировки крупных элементов (например, крестовины) в месте проводящего паянного слоя. Хотя деталь является дефектной, свойства маркировки по-прежнему важны. Это связано с тем, что она должна быть надежно распознана последующими инструментами обработки, а также потому, что любое расслаивание проводящего паянного слоя может вызвать проблемы во время последующих процессов.
Полоски выводов ИС имеют по периферии золотые прокладки, которые используются для определения деталей, которые были обнаружены как дефектные после присоединения матрицы и соединения проводов. Для дефектных деталей золотая накладка помечается путем преобразования ее цвета из золота в черный или темно-серый.
В идеале желательно иметь один лазерный маркер, который может выполнять все три задачи по нанесению маркировки. Зеленый DPSS-лазер стал стандартным лазерным маркером для этих применений, при этом ультрафиолетовые лазеры иногда используются для высококачественных подложек.
Полупроводники.
Растущий спрос на флип-чип устройства (flip chip technique — метод перевернутой микросхемы — прим. пер.), монтаж на уровне пластин и дефектную идентификацию матрицы приводит к необходимости прямой маркировки кремния, GaAs, GaN / сапфира или других полупроводников. Кремний частично прозрачен в ближнем ИК-диапазоне, и лазеры на этой длине волны используются всякий раз, когда требуются глубокие метки в кремнии, такие, как размещение идентификаторов подложек вблизи края подложек. Лазерные маркеры ближнего ИК-диапазона также выбираются для маркировки формованных монтажных подложек при корпусировании микросхем на уровне пластины с отводом наружу (fan-out wafer level packaging wafers, прим. пер.).
Однако для маркировки либо флип-чипов, либо обратной стороны пластин зеленые лазеры предпочтительны из-за сильного поглощения этой длины волны в кремнии. Маркировка на обратной стороне пластины требует только очень мелких маркировок, а проникновение лазера только на малую глубину предотвращает потенциальное повреждение схемы на обратной стороне флип-чипа или пластины. Необходимость мелкой по глубине маркировки также сводит к минимуму потребность в мощности лазера. Например, Coherent ❘ Rofin предлагает зеленый лазер мощностью 6 Вт (PowerLine E 12 SHG IC), который хорошо подходит для маркировки задней стороны пластины, а также может маркировать пластину через ленту всякий раз, когда пластина установлена на пленочную рамку.
Металлы.
Лазеры ближнего ИК-диапазона широко используются для маркировки металлических крышек, используемых с микропроцессорами и другими ИС с высоким энергопотреблением.
Выводные рамки, которые покрыты оловом, серебром или золотом, маркируются до или после нанесения покрытия. Поскольку выводные рамки используются для чувствительных к стоимости устройств, капитальные вложения имеют решающее значение, и по этой причине часто выбираются экономичные волоконные лазеры.
Лазерная маркировка завтра.
По мере того, как подложки с микросхемами становятся тоньше и меньше, им требуются более мелкие маркировки с более высоким разрешением. Субнаносекундные лазеры являются наиболее перспективным методом для изготовления этих типов маркировок и совместимы с широким спектром материалов. Разнообразные возможности этой технологии показаны на Рисунке 5, на котором представлены результаты маркировки четырех различных материалов с использованием субнаносекундного лазера (Coherent ❘ Rofin PowerLine Pico 10-532 IC).
Первое изображение представляет собой гибкую подложку ИС; очень тонкие слои, устойчивые к пайке, и металлические покрытия делают важным, чтобы лазер не вызывал расслоения. Здесь круглая золотая накладка была превращена в черную без расслоения. На следующем изображении подложке ИС была нанесена белая метка, опять же, не отслаиваясь от припоя.Третье изображение показывает очень маленькие символы (<150 мкм), отмаркированные на обратной стороне кремниевой пластины, содержащей сотни тысяч крошечных дискретных полупроводниковых приборов. Создание маркировок с таким разрешением через пленку было бы трудно осуществить с помощью лазера с наносекундной длительностью импульса.
Окончательное изображение — медная выводная рамка, покрытая тонкой серебряной пленкой. Здесь цель состоит в том, чтобы произвести мелкую маркировку с высоким контрастом без гравировки нижележащего материала, что было достигнуто с помощью субнаносекундного лазера.
Заключение.
Производство и монтаж полупроводниковых компонентов представляют собой сложные приложения для маркировки, для которых часто требуются особо мелкие маркировки, производимые без значительного влияния на окружающий материал. Общая тенденция к уменьшению и утончению геометрии устройства будет стимулировать более широкое использование высокоточных лазерных инструментов, таких, как те, которые используют зеленые и УФ наносекундные лазеры, и даже субнаносекундные лазеры, в то время как в чувствительных к затратам приложениях по-прежнему будут использоваться недорогие волоконные лазеры.
ДИЭТРИХ ТОННИ, к.т.н. и Дирк Мюллер, доктор философии, Coherent Inc., Санта-Клара, Калифорния
Источник: https://electroiq.com/2017/09/laser-marking-meets-diverse-challenges-in-fab-and-packaging/
Leave a comment
You must be logged in to post a comment.