CO激光器有何用？中紅外激光在微通孔鉆孔和硅片剝離潛力巨大！
一氧化碳（CO）激光器與廣泛使用的二氧化碳（CO2）激光器類似，都是以氣體作為工作介質(zhì)產(chǎn)生激光輸出。CO激光器主要應(yīng)用于科研和醫(yī)療方面，直到最近才在工業(yè)應(yīng)用上嶄露頭角。本文重點關(guān)注CO激光器在微電子制造業(yè)發(fā)揮重要作用的潛力，尤其是針對40μm以下的PCB微孔鉆孔和正在發(fā)展的激光硅片剝離領(lǐng)域。
CO激光背景
與遠(yuǎn)紅外激光（10.6μm）相比，光譜范圍在5－6μm之間的CO激光在某些應(yīng)用中具有兩大重要優(yōu)勢。許多金屬、薄膜、聚合物、PCB介質(zhì)、陶瓷和復(fù)合材料在較短的波長上有較高的吸收，因此可用較低的激光功率來處理材料，這將有效降低熱影響區(qū)（HAZ）面積；此外，當(dāng)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(yōu)點是，由于衍射減弱，激光可以聚焦到更小的光斑上，而衍射是隨波長線性擴(kuò)展的。例如，在同一標(biāo)準(zhǔn)配置下，在工業(yè)應(yīng)用中CO2激光器實現(xiàn)最小光斑的波長在70－80μm之間，而CO激光器則能在30－40μm間實現(xiàn)最小光斑。這意味著功率給定時，CO激光焦點處的功率密度（通量）比CO2激光高4倍。再結(jié)合在某些材料對5μm激光有更強(qiáng)的吸收，使得這些材料能夠在低功率的CO激光下進(jìn)行加工。
不可否認(rèn)的是，盡管CO激光具備這樣的優(yōu)點，但兩個關(guān)鍵操作阻礙其走向大規(guī)模商業(yè)化。首先，CO激光以前只能在低溫下保持高效率運行；其次，CO激光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(yè)密封CO激光器，它們能在室溫下高效運轉(zhuǎn)，其運行壽命可與CO2激光器媲美。
目前，CO激光器已經(jīng)在陶瓷劃片、切割和鉆孔方面取得了成功。此外，還有其他潛力巨大的應(yīng)用方向。
PCB通孔鉆孔
通孔鉆孔是一種重要的激光應(yīng)用，CO激光器在這方面具有獨特的優(yōu)勢。通孔是在電子印刷電路板（pcb）上鉆的小洞，其作用是使電子連接可以在層之間進(jìn)行。與集成電路的發(fā)展一樣，市場需要不斷提高PCB板的電路密度，這反過來也產(chǎn)生了通孔孔徑更小的需求。
傳統(tǒng)的通孔是用機(jī)械鉆取的，這種方法仍然廣泛用于電路密度較低的PCB。而在1990年代中期，CO2激光通孔鉆孔系統(tǒng)實現(xiàn)了100微米以下的PCB通孔的批量生產(chǎn)，這是與機(jī)械鉆孔系統(tǒng)難以實現(xiàn)的。目前，CO2激光通孔鉆孔系統(tǒng)常用于生產(chǎn)孔徑在50到100μm間的通孔。
現(xiàn)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激光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(shù)成為更小通孔鉆孔應(yīng)用的良好候選方案。
硅片剝離
除了傳統(tǒng)的PCB外，提高電路密度還會采用“高級封裝”技術(shù)，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(nèi)存及傳感器的功能單元。半導(dǎo)體器件的集成通常需要處理厚度小于100μm的組件，為提高稀釋、處理、轉(zhuǎn)移這些組件的效率，通常將其臨時鍵合在較厚的襯底上。
玻璃和硅都可作為這種臨時鍵合處理的襯底。雖然玻璃處理技術(shù)成熟并可達(dá)到高度的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，但隨著對封裝工藝和材料的要求越來越嚴(yán)格，加上硅的物理特性（更高的導(dǎo)熱性、更匹配的熱膨脹、翹曲更少、與現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備廣泛兼容）為其提供了諸多工藝技術(shù)優(yōu)勢，人們更希望用硅來作為臨時鍵合的襯底。
在臨時鍵合后的剝離上，由于熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的限制，熱滑動和機(jī)械剝離方法不如光學(xué)剝離方法有吸引力。但當(dāng)前缺乏實用和低成本的光學(xué)剝離技術(shù)，這是廣泛推廣以硅作為臨時襯底的關(guān)鍵障礙。
目前用于玻璃襯底的剝離設(shè)備采用紫外激光，但不幸的是，紫外波段對硅而言是不透明的，工業(yè)中非金屬材料加工的主力——CO2激光器所發(fā)的遠(yuǎn)紅外波段也在硅的透明窗口之外。目前還沒有可用于硅的激光剝離技術(shù)。然而，室溫下的激光硅片剝離技術(shù)是一個有吸引力的概念，它將成為硅作臨時襯底的重要推動力量。
實驗表明，典型的襯底厚度下，硅在CO輸出波長處是透明的。此外，CO激光器有多種配置和功率范圍，可實現(xiàn)從納秒脈沖到連續(xù)波的輸出，功率級別達(dá)400W。這使得CO激光器很適合處理各種釋放層和粘合劑，并與紡絲涂層和氣相沉積材料兼容。從工具集成的角度來看，CO激光器與更成熟的CO2激光接近，二者具有大量的接口共通性，從而為生產(chǎn)有價值的剝離系統(tǒng)提供了一條相對低風(fēng)險的開發(fā)路徑。
結(jié)論
CO激光器的中紅外輸出提供了一種過去極難獲得的光譜范圍內(nèi)，這項技術(shù)的潛在應(yīng)用正在探索和開發(fā)中。除了各種玻璃和陶瓷加工外，通孔鉆孔和硅片剝離是另外兩個顯示出巨大潛力的應(yīng)用。
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