Półprzewodniki

Postęp w zakresie produkcji półprzewodników sprawia, że powstają coraz mniejsze struktury o rosnącym stopniu złożoności i integracji, co przekłada się na większą moc obliczeniową oraz mniejsze zużycie energii. To zaś powoduje, że konieczne staje się zastosowanie jeszcze bardziej precyzyjniejszych metod obróbki materiałów półprzewodnikowych, dielektryków oraz tworzyw sztucznych. Technologia laserowa towarzyszy tej branży od samego początku i jest stosowana jako główne narzędzie w procesach cięcia, litografii i znakowania półprzewodników. Duża popularność technik laserowych jest w tym przypadku - podobnie jak i w innych sektorach - pochodną ich zalet, wśród których na pierwsze miejsce wysuwają się: wysoka jakość po obróbce, duża szybkość, powtarzalność i dokładność pracy oraz bezkontaktowość procesu.



Ablacja


Wady produkcyjne spowodowane nierównomiernym nałożeniem materiału zabezpieczającego mogą spowodować problemy związane z niewłaściwym działaniem procesora. Najczęściej wynikają one z zastosowania nadmiernej ilości tworzywa ochronnego, co powoduje zaburzenia chłodzenia układu lub zwarcia pomiędzy kontaktami. Dzięki ablacji laserowej możliwe jest poprawienie takiego elementu, gdyż krótki impuls lasera o dużej mocy powoduje odparowanie niechcianej substancji. Co więcej, ta sama metoda może zostać użyta w celu zdiagnozowania wad wewnątrz procesora przez usuwanie kolejnych warstw materiału ochronnego.



Cięcie


Zastosowanie klasycznych metod rozdzielania materiału, np. piłą tarczową, posiada pewne ograniczenia związane z grubością ciętych elementów: im jest ona mniejsza, tym trudniej jest tego dokonać bez uszkadzania krawędzi i/lub pękania części. Rozwiązaniem jest zastosowanie techniki laserowej, która dzięki bezkontaktowości procesu umożliwia cięcie nawet cienkich wafli krzemowych przy zachowaniu wysokiej jakości krawędzi, zmniejszając liczbę braków i odpadów, a tym samym redukując koszty produkcji. Z kolei zastosowanie głowicy skanującej powoduje skrócenie czasów przestoju i pozycjonowania ogniska lasera, co przekłada się na zwiększenie liczby ciętych elementów.

Aby zoptymalizować produkcję, wytwarza się kilka procesorów na raz, a następnie zabezpiecza połączenia elektryczne za pomocą dielektryków. Taka matryca układów jest następnie testowana pod kątem poprawności połączeń elektrycznych pomiędzy wyprowadzeniami i procesorem. Dzięki odpowiednim narzędziom można zidentyfikować wadliwe układy, a następnie usunąć je z procesu produkcyjnego przed integracją z obudową. Na tym etapie laser stosowany jest jako narzędzie do precyzyjnego wycinania uszkodzonych układów. Także gotowe procesory są rozdzielane laserowo, co pozwala uniknąć problemów występujących podczas klasycznej obróbki. Twarda obudowa sprawia bowiem, że cięcie mechaniczne jest powolne, a piła tarczowa szybko ulega zużyciu.



Wyżarzanie


Tranzystory bipolarne IGBT stanowią jeden z najpopularniejszych układów elektronicznych stosowanych do sterowania układami o dużych mocach, np. w pociągach, tramwajach czy klimatyzatorach. Produkcja nowoczesnych układów odbywa się na monolitycznych waflach krzemowych o grubości nie przekraczającej 100 mikronów. W jej pierwszym etapie na jednej stronie wafla wykonywana jest bramka i emiter, które następnie są zabezpieczane folią.

W kolejnym kroku po drugiej stronie wafla dokonuje się głębokiej implantacji domieszek typu N+ w celu uzyskania warstwy zaporowej/przewodzącej. Jej głębokość rośnie wraz z temperaturą procesu, przez co konieczne jest podgrzanie całego wafla. Zbyt wysoka temperatura może jednak uszkodzić istniejące już złącza. Zaś proces domieszkowania w piecach jest powolny i nie daje zbyt dobrych rezultatów w zakresie grubości warstwy N+. Rozwiązaniem może być zastosowanie technologii laserowej, która pozwala na lokalne, punktowe podgrzanie materiału do wysokiej temperatury bez uszkodzenia istniejących układów, zapewniając głęboką implementację i dużą stabilność procesu.


Znakowanie


W branży półprzewodnikowej znakowanie laserowe stosowane jest ze względu na możliwość obróbki szerokiej gamy materiałów - od metalu i tworzyw sztucznych, przez ceramikę, po kompozyty. Co więcej, bezkontaktowość procesu i tym samym brak generowanych zanieczyszczeń sprawiają, że lasery mogą być bezpiecznie stosowane w clean room'ach.

Przykładowo, na waflach krzemowych oraz płytkach PCB są grawerowane informacje o numerze seryjnym i partii produktu, dzięki czemu można śledzić parametry jego wytwarzania. Co więcej, można w ten sposób nanosić także oznaczenia o bardzo małych wymiarach bez obaw o utratę czytelności, brak odporności na ścieranie czy negatywny wpływ na dalsze etapy produkcji.



W skrócie

  • Rodzaje obróbki: ablacja, cięcie,wyżarzanie, znakowanie
  • Obrabiany materiał: materiały półprzewodnikowe, dielektyki, tworzywa sztuczne
  • Cel obróbki: usuwanie nadmiaru materiału, precyzyjne cięcie wafli krzemowych, usuwanie wadliwych układów, diagnozowanie wad procesora, domieszkowanie powłok, identyfikacja produktu
  • Zalety: wysoka jakość, duża szybkość, powtarzalność i dokładność, bezkontaktowość procesu, uniwersalność zastosowań, ochrona delikatlnych materiałów
PolandEnglish