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[摘 要]随着5G技术的来临，手机等电子产品持续向着轻薄化的方向发展，市场对芯片与PCB电路微型化的需求加剧，小于20 μm，甚至10 μm以内的钻孔需求越来越多，传统的CO2激光器只能处理50 μm以上的钻孔，而DPSS则只能处理20 μm以上的钻孔，准分子激光器则可以完成这类微型孔径的钻孔，而且锥度可达9°。而新一代高密度芯片与PCB的主流发展方向是基于玻璃基板制作，准分子激光器也被试验证实，适用于此类玻璃载板的钻孔。
[关键词]准分子激光;钻孔;玻璃贯通电极（TGV）;深度控制;玻璃载板
[中图分类号]TN248 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–03
Application of Excimer Laser in Drilling
Luo Shi-da
[Abstract]With the advent of 5g， mobile phones and other electronic products continue to develop to thin， the market demand for chips and PCB circuit miniaturization is increasing， less than 20% μm. Even 10 μm The traditional CO2 laser can only process more than 50 μm holes， while DPSS can only process more than 20 μm holes. Excimer laser can complete this kind of micro aperture drilling， and the taper can reach 9°.The mainstream development direction of the new generation of high-density chip and PCB is based on glass substrate. Excimer is also confirmed by experiments， which is suitable for drilling such glass carrier.
[Keywords]excimer laser; Drilling; Glass through electrode （TGV）; Depth control; Glass carrier
隨着技术的发展，芯片微型化的需求加剧，市场催生出越来越多的微加工需求，而无论是在半导体芯片上不断向更小的纳米线宽进发，还是在手机上向5G和超薄进发，都深深依赖于加工设备的微处理能力。新生技术需要越来越小的孔，越来越细的切割线，越来越复杂的雕刻结构。而这一切都不再是不断缩短脉宽就能够解决的。这些需求需要的是不断向深紫外进发的波长：351 nm（XeF），308 nm（XeCl），248 nm（KrF），193 nm（ArF），157 nm（F2）。衍射极限决定了激光挖孔直径变小的极限，波长与衍射极限正相关，波长越短，衍射极限也就越小，所能聚焦的光斑也就越小，从而实现更高精度的激光加工。不光是在电子消费市场，半导体、医疗、汽车等领域都对微米级的微加工提出了更多需求。
1 准分子激光器钻孔方案
准分子激光器可以与DPSS一样，搭配扫描振镜工作，但在绝大多数应用不会采用振镜扫描的方式，在一些应用中会整形成特殊形状或者拉成一条线，对大幅面产品进行扫描，如OLED加工中的ELA（Excimer Laser Annealing）。通过准分子激光器对显示面板进行整行扫描，将单晶硅转化为多晶硅，极大地提升显示效果。在其他更多应用中，则是采用Mask（掩膜版）的方式进行加工，如图1所示。在准分子的钻孔应用中正是使用这种掩膜版钻孔的方式。准分子激光器发出深紫外激光，经过掩膜版塑形，随后聚焦后被加工样品吸收，此类样品通常由上下两层或者以上组成。下层为基底或者导体，上层则通常为聚合物。显示、芯片、3C等行业所需钻孔的样品多为此类结构。
准分子激光器在钻孔中有几个优势：①准分子波长在深紫外，聚焦的光斑更小，钻出孔的直径更小;②同样是因为波长短，其能加工的材料也就更多，许多在可见波段、红外波段高透射的材料，往往在深紫外都有极高的吸收率，比如玻璃。③使用掩膜版的方式加工，就像是“盖章”，每一次脉冲或者加工得到的效果都一样，一致性非常高。除此之外，准分子激光器还有深度可控以及不伤基底等优势。
详细的准分子激光系统光路如图2所示。
（1）准分子激光器：在钻孔中通常会选用193 nm或者248 nm，并根据需求选择不同能量的激光器，选择这两个波长的主要原因是考虑到不同材料的吸收率，在这两个波长通常接近100%。在能量上，以相关公司为例，提供10 mJ～5 J的激光器可供选择。且准分子激光器不需要倍频，直接产生深紫外激光，相对于DPSS激光器，性能更加稳定。
（2）衰减器：由于准分子激光的输出能量较大，针对某些材料需要使用衰减器进行能量衰减。
（3）扩束器：同样是因为准分子激光器输出能量较大，可以实现大面积的同时加工，在搭建系统的过程中通常会将准分子激光进行扩束，从而覆盖更大的加工面积。
（4）光斑匀化器：通常会使用2n+1的柱透镜阵列来实现，准分子激光器输出的光斑原本就是近似平顶光斑，而经过匀化器之后，光斑会变的更加均匀，从而进一步提升加工的一致性和精度。
（5）掩膜版：激光系统加工的主要部件，通常使用铬版制作。准分子激光经过掩膜版后形成所要加工的形状。 （6）聚焦镜头：镜头将塑形后的准分子激光按照比例缩放到合适的大小，随后对产品进行加工。
2 准分子激光器钻孔的试验结果与优势
通过对上述光路的分析，使用准分子激光器对不同的材料进行加工，实现了最低1 μm的钻孔直径。
如图3（a）所示，通过对5 μm厚的聚合物钻孔，实现了3 μm的钻孔直径。针对25 μm厚的PI层，实现了1μm的直径的钻孔。针对WPR5100在RDL结构内实现了15 μm的钻孔。
首先是钻孔直径，准分子激光器实现了低于15 μm，甚至到1 μm的钻孔直径。在钻孔应用之中，CO2激光器通常可以实现60～130 μm直径的钻孔，DPSS激光器可以实现25～75 μm直径的钻孔。而准分子却可以实现1～30 μm直径的钻孔。
如图4所示，准分子激光在钻孔中，脉冲数与钻孔深度几乎成线性关系。经过大量测试，准分子激光器的单个脉冲移除深度一致，根据脉冲能量与材料的不同，为50～1000 nm。
准分子激光器每个脉冲都会消融定量的厚度，可以通过脉冲数，可精确地控制钻孔深度。典型的准分子激光消融效率为0.3 μm/pulse，若预期钻孔深度为6 μm。所需脉冲数计算方式为：
5 μm深度/0.30 μm消融率=20个脉冲
通过20个脉冲即可严格控制钻孔深度，一致性高。同理，只要是确定了消融率与钻孔深度，通过简单的脉冲数计算，即可严格控制钻孔深度。
准分子激光由于是平顶光斑，钻孔锥度天然较高，而且基于大量的试验证实，脉冲能量越大，钻孔锥度越小。如图5所示，当脉冲能量密度为376 mJ/cm2，经过45个脉冲实现7 μm的鉆孔厚度，锥度为25°，当能量密度为822 mJ/cm2，钻孔锥度为16°，当能量密度为1200 mJ/cm2，钻孔锥度则达到了9°。DPSS激光器由于其高斯波前，无法实现这样的自然钻孔锥度。
同样由于准分子为平顶光斑，以及准分子激光器的选择性消融，准分子激光器在消融的过程中可以做到不伤基底。如图6所示，在消融上层聚合物的过程中，充分移除了上层的聚合物，却并不会破坏下层的铜板。
在精密钻孔过程中，CO2与DPSS激光器通常对铜板上最后的10 μm束手无策，需要使用其他方式进行移除，若是过度钻孔，会伤到基底。而准分子激光器却不受此困扰。可以完全消融聚合物，并确保铜板基底不会受到伤害。
3 下一代玻璃载板芯片的钻孔
随着电子科技的向前发展，半导体正从二维的电路板和芯片向三维发展。2.5D、3D封装也不断涌现。而玻璃载板由于其成本
低、刚性强、表面平整度高等优势，被认为是下一代芯片的理想载板。经过不断的研究，玻璃载板还具有极为优秀的电学性能，让其更加适合高密度的2.5D与3D封装。同时，也有研究表明，玻璃基的RDL（Redistribution Layer）由于介电常数低，在高频时相较于硅基更加优良。
而准分子激光器在TGV（玻璃通孔）/TPV（热塑性硫化橡胶）中钻孔中表现出良好的效果，并且已经通过HAST（老化测试）。
如图7所示，玻璃对可见和红外的透过率通常很高，而在深紫外尤其是小于210 μm时透过率已经接近于零，吸收率非常高。
无论是有碱玻璃还是无碱玻璃在准分子193 nm波长附近的吸收率都接近了100%。所以193 nm极为适合用来对玻璃进行钻孔。
如图8（a）所示，通过193 nm准分子对100 μm厚的玻璃钻通孔，入孔直径为20 μm，出孔直径为16 μm。锥度极好，通过显微镜对侧剖面的观察，孔壁十分光滑，没有微米级的损伤。孔深比（专控深度除以钻孔直径）超过了5。而对比图8（b），通过355 nmDPSS激光器钻孔的结果则更像是一个不规则的火山口，入孔直径157 μm，出孔直径92 μm，无论是入孔还是出孔的结构都不规则，孔壁也不光滑，损伤较大，且不可控。由此可见，无论是从钻孔的精度控制，能实现的钻孔的最小孔径，锥度还是表面光滑程度来对比，准分子激光器都远远领先于DPSS激光器。更适合玻璃载板钻孔的应用。
除此之外，还发现了准分子激光器的另外一个优势。通过准分子激光器处理的玻璃表面得到了活化，更适合做铜离子的沉积，这也极大地方便了后道工序的进行。
无论是193 nm的波长、平顶光斑、表面活化还是衍射极限，等等，准分子在玻璃载板的处理中都表现出了充分的优势。
4 结语
准分子激光器产生的深紫外激光对绝大多数的材料来讲，吸收率都很高，这让准分子激光适用于绝大多数材料的钻孔。经过试验的测试和验证，准分子激光衍射极限更小，可以处理更精细的钻孔，孔径最低可达1 μm，满足电子芯片越来越密集与精细的要求。同时相对于其他类型激光器，准分子激光器不但处理的孔径更小、锥度更小，还能实现厚度可控、不伤基底，甚至实现表面活化的效果。掩膜版的加工方式让准分子的加工一致性、稳定性、可控性更加优良，适用大规模生产。以上种种优势都在准分子激光的玻璃载板钻孔中得到印证，为即将到来的高密度芯片时代做好技术准备。
参考文献
[1] 梁培，张晓波，王珂.印刷电路板双向脉冲镀铜可编程开关电源研制[J].电镀与精饰，2019，41（3）：31-35.
[2] 张家亮.光电印制电路板的发展评述（2）——光电印制电路板用光波导材料（下）[J].印制电路信息，2007（1）：8-12.
[3] 吴海鸿，任玉龙，徐健，等.玻璃基RDL传输线的特征阻抗与损耗研究[J].电子与封装，2018，18（12）：3-9.
[4] 钱州强.基于TGV/IPD工艺的功率分配器研究与设计[D].昆明：昆明理工大学，2019.
[5] 郭育华，王强文，刘建军，等.玻璃通孔的高频传输性能[J].微纳电子技术，2021（1）：91-96.
[关键词]准分子激光;钻孔;玻璃贯通电极（TGV）;深度控制;玻璃载板
[中图分类号]TN248 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–03
Application of Excimer Laser in Drilling
Luo Shi-da
[Abstract]With the advent of 5g， mobile phones and other electronic products continue to develop to thin， the market demand for chips and PCB circuit miniaturization is increasing， less than 20% μm. Even 10 μm The traditional CO2 laser can only process more than 50 μm holes， while DPSS can only process more than 20 μm holes. Excimer laser can complete this kind of micro aperture drilling， and the taper can reach 9°.The mainstream development direction of the new generation of high-density chip and PCB is based on glass substrate. Excimer is also confirmed by experiments， which is suitable for drilling such glass carrier.
[Keywords]excimer laser; Drilling; Glass through electrode （TGV）; Depth control; Glass carrier
隨着技术的发展，芯片微型化的需求加剧，市场催生出越来越多的微加工需求，而无论是在半导体芯片上不断向更小的纳米线宽进发，还是在手机上向5G和超薄进发，都深深依赖于加工设备的微处理能力。新生技术需要越来越小的孔，越来越细的切割线，越来越复杂的雕刻结构。而这一切都不再是不断缩短脉宽就能够解决的。这些需求需要的是不断向深紫外进发的波长：351 nm（XeF），308 nm（XeCl），248 nm（KrF），193 nm（ArF），157 nm（F2）。衍射极限决定了激光挖孔直径变小的极限，波长与衍射极限正相关，波长越短，衍射极限也就越小，所能聚焦的光斑也就越小，从而实现更高精度的激光加工。不光是在电子消费市场，半导体、医疗、汽车等领域都对微米级的微加工提出了更多需求。
1 准分子激光器钻孔方案
准分子激光器可以与DPSS一样，搭配扫描振镜工作，但在绝大多数应用不会采用振镜扫描的方式，在一些应用中会整形成特殊形状或者拉成一条线，对大幅面产品进行扫描，如OLED加工中的ELA（Excimer Laser Annealing）。通过准分子激光器对显示面板进行整行扫描，将单晶硅转化为多晶硅，极大地提升显示效果。在其他更多应用中，则是采用Mask（掩膜版）的方式进行加工，如图1所示。在准分子的钻孔应用中正是使用这种掩膜版钻孔的方式。准分子激光器发出深紫外激光，经过掩膜版塑形，随后聚焦后被加工样品吸收，此类样品通常由上下两层或者以上组成。下层为基底或者导体，上层则通常为聚合物。显示、芯片、3C等行业所需钻孔的样品多为此类结构。
准分子激光器在钻孔中有几个优势：①准分子波长在深紫外，聚焦的光斑更小，钻出孔的直径更小;②同样是因为波长短，其能加工的材料也就更多，许多在可见波段、红外波段高透射的材料，往往在深紫外都有极高的吸收率，比如玻璃。③使用掩膜版的方式加工，就像是“盖章”，每一次脉冲或者加工得到的效果都一样，一致性非常高。除此之外，准分子激光器还有深度可控以及不伤基底等优势。
详细的准分子激光系统光路如图2所示。
（1）准分子激光器：在钻孔中通常会选用193 nm或者248 nm，并根据需求选择不同能量的激光器，选择这两个波长的主要原因是考虑到不同材料的吸收率，在这两个波长通常接近100%。在能量上，以相关公司为例，提供10 mJ～5 J的激光器可供选择。且准分子激光器不需要倍频，直接产生深紫外激光，相对于DPSS激光器，性能更加稳定。
（2）衰减器：由于准分子激光的输出能量较大，针对某些材料需要使用衰减器进行能量衰减。
（3）扩束器：同样是因为准分子激光器输出能量较大，可以实现大面积的同时加工，在搭建系统的过程中通常会将准分子激光进行扩束，从而覆盖更大的加工面积。
（4）光斑匀化器：通常会使用2n+1的柱透镜阵列来实现，准分子激光器输出的光斑原本就是近似平顶光斑，而经过匀化器之后，光斑会变的更加均匀，从而进一步提升加工的一致性和精度。
（5）掩膜版：激光系统加工的主要部件，通常使用铬版制作。准分子激光经过掩膜版后形成所要加工的形状。 （6）聚焦镜头：镜头将塑形后的准分子激光按照比例缩放到合适的大小，随后对产品进行加工。
2 准分子激光器钻孔的试验结果与优势
通过对上述光路的分析，使用准分子激光器对不同的材料进行加工，实现了最低1 μm的钻孔直径。
如图3（a）所示，通过对5 μm厚的聚合物钻孔，实现了3 μm的钻孔直径。针对25 μm厚的PI层，实现了1μm的直径的钻孔。针对WPR5100在RDL结构内实现了15 μm的钻孔。
首先是钻孔直径，准分子激光器实现了低于15 μm，甚至到1 μm的钻孔直径。在钻孔应用之中，CO2激光器通常可以实现60～130 μm直径的钻孔，DPSS激光器可以实现25～75 μm直径的钻孔。而准分子却可以实现1～30 μm直径的钻孔。
如图4所示，准分子激光在钻孔中，脉冲数与钻孔深度几乎成线性关系。经过大量测试，准分子激光器的单个脉冲移除深度一致，根据脉冲能量与材料的不同，为50～1000 nm。
准分子激光器每个脉冲都会消融定量的厚度，可以通过脉冲数，可精确地控制钻孔深度。典型的准分子激光消融效率为0.3 μm/pulse，若预期钻孔深度为6 μm。所需脉冲数计算方式为：
5 μm深度/0.30 μm消融率=20个脉冲
通过20个脉冲即可严格控制钻孔深度，一致性高。同理，只要是确定了消融率与钻孔深度，通过简单的脉冲数计算，即可严格控制钻孔深度。
准分子激光由于是平顶光斑，钻孔锥度天然较高，而且基于大量的试验证实，脉冲能量越大，钻孔锥度越小。如图5所示，当脉冲能量密度为376 mJ/cm2，经过45个脉冲实现7 μm的鉆孔厚度，锥度为25°，当能量密度为822 mJ/cm2，钻孔锥度为16°，当能量密度为1200 mJ/cm2，钻孔锥度则达到了9°。DPSS激光器由于其高斯波前，无法实现这样的自然钻孔锥度。
同样由于准分子为平顶光斑，以及准分子激光器的选择性消融，准分子激光器在消融的过程中可以做到不伤基底。如图6所示，在消融上层聚合物的过程中，充分移除了上层的聚合物，却并不会破坏下层的铜板。
在精密钻孔过程中，CO2与DPSS激光器通常对铜板上最后的10 μm束手无策，需要使用其他方式进行移除，若是过度钻孔，会伤到基底。而准分子激光器却不受此困扰。可以完全消融聚合物，并确保铜板基底不会受到伤害。
3 下一代玻璃载板芯片的钻孔
随着电子科技的向前发展，半导体正从二维的电路板和芯片向三维发展。2.5D、3D封装也不断涌现。而玻璃载板由于其成本
低、刚性强、表面平整度高等优势，被认为是下一代芯片的理想载板。经过不断的研究，玻璃载板还具有极为优秀的电学性能，让其更加适合高密度的2.5D与3D封装。同时，也有研究表明，玻璃基的RDL（Redistribution Layer）由于介电常数低，在高频时相较于硅基更加优良。
而准分子激光器在TGV（玻璃通孔）/TPV（热塑性硫化橡胶）中钻孔中表现出良好的效果，并且已经通过HAST（老化测试）。
如图7所示，玻璃对可见和红外的透过率通常很高，而在深紫外尤其是小于210 μm时透过率已经接近于零，吸收率非常高。
无论是有碱玻璃还是无碱玻璃在准分子193 nm波长附近的吸收率都接近了100%。所以193 nm极为适合用来对玻璃进行钻孔。
如图8（a）所示，通过193 nm准分子对100 μm厚的玻璃钻通孔，入孔直径为20 μm，出孔直径为16 μm。锥度极好，通过显微镜对侧剖面的观察，孔壁十分光滑，没有微米级的损伤。孔深比（专控深度除以钻孔直径）超过了5。而对比图8（b），通过355 nmDPSS激光器钻孔的结果则更像是一个不规则的火山口，入孔直径157 μm，出孔直径92 μm，无论是入孔还是出孔的结构都不规则，孔壁也不光滑，损伤较大，且不可控。由此可见，无论是从钻孔的精度控制，能实现的钻孔的最小孔径，锥度还是表面光滑程度来对比，准分子激光器都远远领先于DPSS激光器。更适合玻璃载板钻孔的应用。
除此之外，还发现了准分子激光器的另外一个优势。通过准分子激光器处理的玻璃表面得到了活化，更适合做铜离子的沉积，这也极大地方便了后道工序的进行。
无论是193 nm的波长、平顶光斑、表面活化还是衍射极限，等等，准分子在玻璃载板的处理中都表现出了充分的优势。
4 结语
准分子激光器产生的深紫外激光对绝大多数的材料来讲，吸收率都很高，这让准分子激光适用于绝大多数材料的钻孔。经过试验的测试和验证，准分子激光衍射极限更小，可以处理更精细的钻孔，孔径最低可达1 μm，满足电子芯片越来越密集与精细的要求。同时相对于其他类型激光器，准分子激光器不但处理的孔径更小、锥度更小，还能实现厚度可控、不伤基底，甚至实现表面活化的效果。掩膜版的加工方式让准分子的加工一致性、稳定性、可控性更加优良，适用大规模生产。以上种种优势都在准分子激光的玻璃载板钻孔中得到印证，为即将到来的高密度芯片时代做好技术准备。
参考文献
[1] 梁培，张晓波，王珂.印刷电路板双向脉冲镀铜可编程开关电源研制[J].电镀与精饰，2019，41（3）：31-35.
[2] 张家亮.光电印制电路板的发展评述（2）——光电印制电路板用光波导材料（下）[J].印制电路信息，2007（1）：8-12.
[3] 吴海鸿，任玉龙，徐健，等.玻璃基RDL传输线的特征阻抗与损耗研究[J].电子与封装，2018，18（12）：3-9.
[4] 钱州强.基于TGV/IPD工艺的功率分配器研究与设计[D].昆明：昆明理工大学，2019.
[5] 郭育华，王强文，刘建军，等.玻璃通孔的高频传输性能[J].微纳电子技术，2021（1）：91-96.