引⾔
随着⼯业技术的⾼速发展，⾼准确度微⼩孔应⽤在各⾏业中，其发展趋势是孔径⼩、深度⼤、准确度⾼、应⽤材料⼴泛(如⾼强度、⾼硬度、⾼韧性、⾼熔点的⾦属、陶瓷、玻璃、⾼分⼦材料、晶体等物质)。传统的微孔加⼯技术主要包括机械加⼯、电⽕花、化学腐蚀、超声波打孔等技术，这些技术各有特点，但已经⽆法满⾜更⾼的微孔加⼯需求。⽐如，机械加⼯对⾼硬度、⾼脆性的材料效率很低，很难加⼯⼩于0.2mm的孔；电⽕花只能加⼯⾦属材料。激光打孔具有效率⾼、极限孔径⼩、准确度⾼、成本低、⼏乎⽆材料选择性等优点，现已成为微孔加⼯的主流技术之⼀。
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激光旋切钻孔技术
当前激光钻孔最常⽤的加⼯⽅式为振镜扫描，可逐层环切扫描或螺旋扫描，但振镜扫描的不⾜之处是⽆法避免锥度，如图1所⽰，在制孔过程中，由于聚焦激光光束的发散和多次反射现象，材料烧蚀速率会随着制孔深度的增加急剧下降。因此，在较厚材料上制备较⼤深径⽐的微孔更有难度。 图1 在浅孔和深孔加⼯时的多次反射[1]
因此，得到⾼深径⽐（≧10:1）、加⼯质量⾼、零锥甚⾄倒锥的微孔是具有挑战的，对于此类需求，最合
适的加⼯⽅法是采⽤旋切头模组，这种旋切头不但可以使光束绕光轴⾼速旋转，还可改变光束相对材料表⾯的倾⾓β，改变β值就可实现从正锥到零锥甚⾄倒锥的变化。当前常⽤的旋切头模组集中在四光楔扫描头、道威棱镜扫描头和平⾏平板扫描头，他们的光学原理⼤同⼩异，通过光学器件使进⼊聚焦镜的光束进⾏适当的平移和倾斜，依靠⾼速电机的旋转使光束绕光轴旋转，如图2所⽰。
图2 不同锥度的孔的成形原理[2]
图3为四光楔扫描装置光路图，图中左侧两个⼤⾓度光楔可以实现⼊射光束的平移，改变⼆者间距可以调整加⼯孔锥度；右侧两个⼩⾓度光楔组合实现⼈射光束的⾓度偏转，使聚焦后的光斑偏离聚焦镜光轴。⼯作时，四个光楔依靠伺服电机同步旋转，实现焦斑绕聚焦镜光轴旋转扫描去除该圆周上的材料，同时沿光轴⽅向微量进给，最终实现不同孔径、锥度和深度的圆孔加⼯。为了实现四个光楔的同步旋转和左侧两光楔的间距调整，该装置⼀般采⽤复杂的⿏笼式结构。
图3 四光楔扫描装置系统[2]
美工刀片图4为道威棱镜扫描系统光路图，道威棱镜安装到⼀个⾼速旋转的空⼼⼒矩电机上，棱镜旋转⼀次可使激光旋转扫描两次。准直后的激光東经过前端的⾓度偏转和横向平移后进⼊道威棱镜和调整光楔，最后通过聚焦镜聚焦到⼯作平⾯，实现环切扫描钻孔。三个光楔通过偏摆和旋转补偿道威棱镜的加⼯、装配误差，这种装置可实现光斑2倍于转速的⾃转，避免了光斑质量对孔质量的影响，但对道威
棱镜的加⼯准确度和装配准确度要求很⾼，后续的三光楔补偿调整结构也相对复杂，对于批量⽣产的⼯程应⽤具有⼀定的局限性。
空烟卷图4 道威棱镜旋转扫描系统[2]
图5为平⾏平板扫描系统光路图，把平⾏平板代替了四光楔模组中的平移光楔，将平⾏平板按照⼀个固定⾓度倾斜放置来产⽣光束的平移，其最⼤优点是成本较低和使⽤寿较长，缺点是加⼯不同锥度的锥孔时，需要调节平⾏平板的倾⾓，必须将平⾏平板重新安装，⽽且由于加⼯时震动的存在，横向位移的精度不易保证。
图5 平⾏平板扫描系统[3]
旋切钻孔技术在半导体⾏业的应⽤霍尔式角度传感器
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探针卡（Probe card）
探针卡是晶圆测试中被测芯⽚和测试机之间的接⼝，主要应⽤于芯⽚分⽚封装前对芯⽚电学性能进⾏初步测量，并筛选出不良芯⽚后，再进⾏之后的封装⼯程。它对前期测试的开发及后期量产测试的良率保证都⾮常重要，是晶圆制造过程中对制造成本影响相当⼤的重要制程。
随着芯⽚的设计越来越⼩，密度越来越⼤，这就要求探针卡越来越多的针数，相邻针尖间距从毫⽶及发展到⼏⼗微⽶，导盘的孔径和孔间距也必须相应的越来越⼩，同时矩形和不规则形状的孔也是⼀种趋势。当前国内应⽤最⼴泛的探针卡是悬臂梁⽅式的环氧探针卡，⾼端器件⽤的芯⽚测试仍采⽤进⼝的垂直探针卡。
图6 探针导向板的上盖（UD）和下盖（LD）
图6为垂直式探针卡导向板的上盖（UD）和下盖（LD）。探针导向板微孔参数分别由芯⽚设计的测试点设置、所⽤的探针直径⽽定，⼀般⽽⾔，加⼯孔径20-200µm，孔间距40-200µm，厚度0.1-1mm，孔型孔壁要求垂直，位置精度⾼。导向板材质多为陶瓷和氮化硅（Si3N4），氮化硅被越来越多的应⽤于新⼀代探针卡，但氮化硅极⾼的硬度使得它⽆法像传统可加⼯陶瓷⼀样采⽤机械加⼯，⽽常规的激光打孔⽅式也⽆法满⾜要求。
⽽激光旋切钻孔技术则很好的解决了上述问题，既不受材料限制，⼜可加⼯⾼深径⽐的⽆锥度孔。英诺激光利⽤⾃主开发的激光旋切钻孔技术对探针卡微孔加⼯做了⼤量研究与实验，当前可实现最⼩孔径25µm，深径⽐≧10:1，最⼤厚度达1mm的加⼯能⼒，图7和图8为英诺激光在Si3N4材料所钻微孔的显微照⽚。除圆孔外，还可加⼯某些探针卡需求的⽅孔，最⼩尺⼨可达35×35µm，R⾓≦6µm，并且⽆锥度。图9为50×50µm的⽅形孔，R⾓约6µm。
图7 孔径45µm显微照⽚
图8 侧壁SEM照⽚
图9 探针卡50×50µm⽅形孔
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⽴针（Bonding wedges）
在半导体封装产业中有⼀段制程为打线接合(Wire bonding)，利⽤线径15-50µm的⾦属线材将芯⽚(chip)及导线架(lead frame)连接起来的技术，使微⼩的芯⽚得以与外⾯的电路做沟通，⽽不需要增加太多的⾯积。⽽接合⽅式⼜分为楔形接合和球形接合，⽴针则主要⽤于楔形接合，可让线材穿过其中，类似缝纫机中的针，线材穿过位在打线机台上的针嘴，穿出针嘴的线材在芯⽚端经过下压完成第⼀焊点后，线材就会与芯⽚上的基板连结，机器⼿臂上升将线引出针嘴，再将线材移往第⼆焊点，⼀边下压⼀边截断线材，完成⼀个循环，紧接着再继续下⼀打线接合的循环，如图10所⽰。
图10 楔形接合过程[4]
⽴针材质⼀般有钨钢、钛合⾦、陶瓷等，图11为⽴针针尖典型形貌，图中标红位置为⼀个孔径约50µ
m的微孔，当前其加⼯⽅式多为电⽕花，但电⽕花加⼯存在效率低，侧壁易产⽣重铸层等不⾜，但采⽤激光旋切钻孔技术搭配超快激光器则可避免上述问题，图12为英诺激光使⽤激光旋切钻孔技术加⼯的针尖处微孔。
图11 ⽴针针尖典型形貌[5]
图12 激光旋切钻孔技术制得⽴针针尖微孔
总结
激光旋切钻孔技术有着加⼯孔径⼩、深径⽐⼤、锥度可调、侧壁质量好等优势，虽然该技术原理简单，但其旋切头结构往往较复杂，对运动控制要求较⾼，所以有⼀定的技术门槛，并且因成本较⾼也限制了其⼴泛应⽤。近⼏年随着芯⽚制程由7nm向5nm发展以及5G时代的来临，半导体⾏业对所⽤器件体积越来越⼩的诉求是可以预见的，激光旋切钻孔技术作为先进的制孔⽅式，与机械加⼯和电⽕花加⼯相⽐优势明显，将有助于半导体⾏业的发展。
参考⽂献：
[1] Friedel S , Stolberg K . Femtosecond Laser Micro Milling Using Special Trepanning Optics[J]. Laser Technik Journal, 2017, 14(2):24-27.
[2] 赵华龙, 周仁魁, 赵卫，等. 飞秒激光倒锥微孔加⼯的反射式扫描装置设计[J]. 光⼦学报, 2014, 043(009):98-103.
[3] 于洵, 张晓, 程光华. 激光微孔加⼯中调节孔锥度的算法研究[J]. 激光与红外, 2012, 42(003):263-267.
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