基于激光烧蚀技术的聚酰亚胺层图案化研究：面向先进芯片封装的非光敏性PI微加工

《ACS Omega》：Research on the Patterning Polyimide Layer Based on Laser Ablation Technology

　　

聚酰亚胺（polyimide，PI）因其高温度稳定性、低介电常数和介电损耗、机械柔韧性和应力释放能力以及耐化学性和耐湿性，已成为先进半导体封装中的关键材料。在整个集成电路（integrated circuit，IC）封装过程中，如凸块封装、扇入式晶圆级封装（fan-in wafer-level packaging，FIWLP）和扇出式晶圆级封装（fan-out wafer-level packaging，FOWLP），钝化（passivation，PA）层通常由基于聚酰亚胺的光刻技术形成。研究人员在本文中介绍了一项基于激光烧蚀技术的聚酰亚胺层图案化研究。研究人员制备了一系列具有硅衬底/聚酰亚胺层（Si substrate/PI layer）结构的样品，并对这些样品施加了四种不同的激光烧蚀条件。经激光烧蚀作用后，在聚酰亚胺层中观察到倒梯形形状的开口结构，根据基于扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）的测量数据，这也表明顶部宽度比底部宽度大约6.4 ± 0.6 μm。基于激光烧蚀技术的聚酰亚胺层图案化研究也可在促进激光烧蚀技术在先进芯片封装行业中的普及方面发挥有效作用。

随着集成电路（integrated circuit，IC）封装密度与功能集成度的持续提升，钝化（passivation，PA）层作为保障器件可靠性、性能与寿命的关键结构，在凸块封装、扇入式晶圆级封装（fan-in wafer-level packaging，FIWLP）和扇出式晶圆级封装（fan-out wafer-level packaging，FOWLP）中承担着环境与机械保护、电气隔离、热管理以及工艺兼容等多重功能。聚酰亚胺（polyimide，PI）凭借其高温度稳定性、低介电常数与损耗、机械柔韧性与应力释放能力以及耐化学和潮湿特性，已成为先进封装中不可或缺的介质材料。然而，目前钝化层图形化主要依赖基于光敏性聚酰亚胺（photosensitive polyimide，PSPI）的光刻技术，其材料成本高、存储条件苛刻、工艺步骤繁琐，且在精细线条与高深宽比结构加工中受到光学衍射极限与湿法侧蚀的制约，难以全面满足高密度、高可靠封装的需求。非光敏性聚酰亚胺虽具有优异的综合性能，但其微米级图形化缺乏兼顾精度、效率与成本的低损伤加工手段。激光烧蚀技术因其无掩模、非接触、高精度及强可控性，被视作替代传统光刻实现非光敏性聚酰亚胺图形化的可行途径。为此，研究人员开展了基于激光烧蚀技术的聚酰亚胺层图案化研究，以探索该技术在先进芯片封装中的应用潜力。

研究人员制备了一系列具有硅衬底/聚酰亚胺层（Si substrate/PI layer）结构的样品，共四个样品，分别命名为样品1至样品4，其聚酰亚胺层厚度由台阶仪测得，分别为17.46 μm、16.92 μm、17.31 μm和18.41 μm。通过对四个样品施加由激光能量和循环次数组合决定的四种不同激光烧蚀条件，系统考察了激光工艺参数对开口结构尺寸的影响。具体条件为：样品1采用1.4 J/cm²激光能量、18个循环；样品2采用1.4 J/cm²激光能量、8个循环；样品3采用1.3 J/cm²激光能量、14个循环；样品4采用1.2 J/cm²激光能量、25个循环。激光烧蚀后，采用光学显微镜和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）对开口结构进行形貌表征与尺寸测量，并通过等离子体清洗去除开口区域残留颗粒物。该研究基于四组Si衬底/PI层样品，通过激光烧蚀、等离子体清洗及SEM/光学显微镜表征等关键技术，实现了聚酰亚胺层开口结构的可控图案化，其工艺流程包括旋涂成膜、激光烧蚀、残余物清理和最终洁净开口形成。

在实验结果方面，论文首先通过光学显微镜观察了四个样品开口结构的顶宽与底宽，样品1的顶宽和底宽分别为26.59 μm和20.74 μm，样品2为27.43 μm和20.69 μm，样品3为27.63 μm和21.13 μm（论文中表1数据为21.92 μm，正文部分图3c描述为21.13 μm，以SEM测量结果为准），样品4为25.20 μm和18.26 μm。在此基础上，利用SEM对每个样品的四处开口结构进行了精确测量，结果显示所有开口均呈现典型的倒梯形轮廓，即顶部宽度大于底部宽度。四个样品的顶宽平均值分别为26.53 μm、25.06 μm、26.98 μm和25.27 μm，底宽平均值分别为19.72 μm、19.36 μm、20.48 μm和16.88 μm。SEM图像进一步证实了倒梯形开孔形貌，各样品顶底宽度差值约为5.85～6.94 μm，四个样品综合统计显示顶宽比底宽大约6.4 ± 0.6 μm。上述结果表明，激光烧蚀技术能够在非光敏性聚酰亚胺层上形成尺寸可控、均匀性良好的微米级开口结构，且该结构特征在不同激光参数组合下保持稳定。

论文进一步对激光烧蚀形成倒梯形轮廓的机制进行了深入分析。在机制分析部分，研究人员指出非光敏性聚酰亚胺的激光微米级图案化本质上是由光热效应主导的浅层烧蚀过程，不同于深层穿透刻蚀或大面积热加工。激光光斑具有高斯能量分布，中心区域能量密度高，满足热分解条件，实现纵向深度刻蚀；而光斑边缘的低能量弥散区能量密度低于烧蚀阈值但高于热软化阈值，导致表层边缘发生轻微热分解与熔融膨胀，使开口尺寸大于光斑理论尺寸，同时横向能量扩散随加工深度增加而迅速衰减，使深部仅能接受聚焦中心的高能激光，从而形成自顶至底逐渐收窄的倒梯形轮廓雏形。此外，聚酰亚胺分子链在膜平面内有序排列，层间结合力较弱，导致垂直方向的热分解阈值低于水平方向，刻蚀速率呈现显著各向异性，纵向刻蚀效率高于横向刻蚀效率，进一步扩大了上下孔径差异。后处理等离子体清洗则去除了侧壁附着的未完全热解聚合物残渣、熔融颗粒与热解碳化物，使侧壁轮廓更加规整，并最终完成倒梯形形态的定形。研究还从瞬态热效应与聚合物多级热解的动态耦合角度，将激光热解过程划分为低温热软化、中温热分解断链（600～1000 K）和高温深度裂解（>1500 K）三个阶段，解释了中心高温区对应完全热解区、边缘低温热影响区对应部分热解区的空间分布规律。

在定量比较部分，论文将激光烧蚀技术与非光敏性聚酰亚胺图案化技术与传统光敏性聚酰亚胺光刻工艺，从分辨率、成本和良率三个核心维度进行了系统对比。在分辨率方面，传统紫外光刻受光学衍射极限限制，量产最小线宽仅能维持在8～10 μm，而激光烧蚀技术依靠高斯光斑精确聚焦与浅层瞬态烧蚀机制，可实现1～3 μm最小线宽及3 μm微孔阵列加工，边缘粗糙度可控制在Ra ≤ 0.2 μm，综合分辨率提升约60%。在成本方面，光敏性聚酰亚胺材料单价较普通非光敏性聚酰亚胺高30%～50%，且光刻工艺需要定制掩模和多种化学消耗品，工艺环节超过7步；激光烧蚀工艺无需掩模和化学试剂，材料利用率超过95%，虽设备初始投入较高，但无持续的模具迭代和耗材更换成本，在中小批量、多品种、高精度场景下具有显著成本优势。在良率方面，传统光刻工艺量产稳定良率仅为82%～88%，缺陷来源包括涂覆不均、曝光偏差、残胶、过刻蚀和钻蚀变形等，返工率高达5%～10%；激光烧蚀工艺采用单步干式非接触加工，热影响区小，无湿法化学残留，量产良率可达95%～98%，且无掩模磨损污染问题，在计算机数值控制（computer numerical control，CNC）精密扫描加工模式下对环境波动不敏感，具有较高的容错能力和工艺稳定性。

综合讨论部分指出，激光烧蚀技术在非光敏性聚酰亚胺图案化领域展现出全面优于传统光敏性聚酰亚胺光刻的工业优势，能够满足高精度、定制化、高可靠性柔性电子与精密封装的应用需求。研究结论表明，该研究制备了Si衬底/聚酰亚胺层结构的系列样品，在四种不同激光烧蚀条件下均获得了倒梯形开口结构，通过SEM和光学显微镜测量验证了开口尺寸的均匀性，确认顶宽比底宽大约6.4 ± 0.6 μm，并建立了熔融烧蚀形貌的形成机制。该项研究为非光敏性聚酰亚胺在芯片先进封装中的应用提供了基础技术支撑，同时有助于推动激光烧蚀技术在先进芯片封装行业中的普及。