光芯片微間距凸塊的激光微植球加工突破

隨著5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能及高速光互連技術(shù)的迅猛發(fā)展，光通訊芯片對(duì)封裝密度、信號(hào)完整性與熱管理性能提出了前所未有的高要求。在此背景下，先進(jìn)封裝技術(shù)成為提升芯片性能的關(guān)鍵路徑，其中以微凸塊（Microbump）為代表的互連結(jié)構(gòu)因其高密度、低電感和優(yōu)異的高頻特性，被廣泛應(yīng)用于硅光子芯片（Silicon Photonics）、共封裝光學(xué)（CPO, Co-Packaged Optics）等前沿領(lǐng)域。而激光植球技術(shù)憑借其非接觸、高精度、局部可控加熱等優(yōu)勢(shì)，正成為實(shí)現(xiàn)超窄間距微凸塊可靠制造的核心解決方案。

01 產(chǎn)業(yè)背景

光通信行業(yè)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)LightCounting在最新報(bào)告中指出，光通信芯片組市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2025至2030年間以17%的年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，總銷(xiāo)售額將從2024年的約35億美元增至2030年的超110億美元。超大規(guī)模云服務(wù)商對(duì)AI基礎(chǔ)設(shè)施的投資正在推動(dòng)400G/800G以太網(wǎng)光模塊的需求激增，進(jìn)而拉動(dòng)了PAM4芯片組的銷(xiāo)量。

整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈正在向上游芯片環(huán)節(jié)集中，芯片超窄間距互聯(lián)已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。這種互聯(lián)不僅需要滿足電信號(hào)傳輸?shù)囊?，在光通訊芯片中，光波?dǎo)的精確對(duì)齊同樣至關(guān)重要——波導(dǎo)直徑通常只有數(shù)微米，連接偏移會(huì)直接導(dǎo)致光信號(hào)耦合效率大幅下降。

02 技術(shù)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)植球工藝在精密光通訊芯片封裝中逐漸暴露出局限性。隨著凸點(diǎn)尺寸縮小至微米級(jí)別，這些傳統(tǒng)方法遇到了難以逾越的技術(shù)障礙。以目前主流的兩種傳統(tǒng)工藝為例，錫膏印刷植球面臨精度不足與空洞率難題，錫膏印刷精度依賴于鋼網(wǎng)開(kāi)口與基板焊盤(pán)的對(duì)齊精度，對(duì)于0.15mm級(jí)微小焊盤(pán)，鋼網(wǎng)開(kāi)口加工誤差會(huì)直接導(dǎo)致錫膏印刷偏移。

而置球植球則存在助焊劑殘留與定位精度瓶頸問(wèn)題。無(wú)論是“助焊劑+錫球”還是“錫膏+錫球”的方案，均需使用助焊劑提升錫球與焊盤(pán)的潤(rùn)濕性。

光通訊芯片中的微凸塊不僅承擔(dān)電連接功能，還直接影響光波導(dǎo)的耦合效率。在傳統(tǒng)倒裝鍵合過(guò)程中，焊料受熱熔化后會(huì)發(fā)生坍塌或擠壓變形，變化可達(dá)十幾微米甚至幾十微米。然而，光通訊芯片中的波導(dǎo)直徑通常僅有數(shù)微米，焊料變形會(huì)直接導(dǎo)致激光器與硅光芯片的波導(dǎo)垂直高度難以精確控制，嚴(yán)重影響光信號(hào)傳輸效率。

03 技術(shù)對(duì)比

隨著技術(shù)發(fā)展，激光植球技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正在取代傳統(tǒng)植球工藝，尤其是在對(duì)精度要求極高的光通訊芯片封裝領(lǐng)域。下表清晰展示了傳統(tǒng)工藝與激光植球技術(shù)的核心差異：

激光植球設(shè)備的發(fā)展已取得顯著突破。國(guó)內(nèi)企業(yè)如紫宸激光推出的全自動(dòng)激光植球設(shè)備，實(shí)現(xiàn)50μm微錫球焊接技術(shù)，XY軸精度差控制在±3μm以內(nèi)，產(chǎn)品良率可達(dá)99.8%以上。在運(yùn)行效率方面，最快焊接速度可達(dá)每秒5個(gè)點(diǎn)。同時(shí)配備AOI視覺(jué)檢測(cè)和高精度CCD定位系統(tǒng)，確保高良率和超高精度。

04 激光植球在光通訊芯片中的核心優(yōu)勢(shì)

激光植球技術(shù)通過(guò)局部精準(zhǔn)加熱和高度可控的加工過(guò)程，為光通訊芯片封裝提供了革新性的解決方案。在超窄間距互連場(chǎng)景中，激光植球展現(xiàn)出多項(xiàng)不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。非接觸式操作避免了傳統(tǒng)置球工藝中真空吸取、機(jī)械放置帶來(lái)的錫球變形、基板劃傷問(wèn)題，同時(shí)可適配深腔、立體等復(fù)雜封裝結(jié)構(gòu)的植球需求。

與傳統(tǒng)工藝不同，激光植球通過(guò)高純度氮?dú)獗Ｗo(hù)與激光精準(zhǔn)加熱，實(shí)現(xiàn)錫球與焊盤(pán)的高效潤(rùn)濕與冶金結(jié)合，無(wú)需添加助焊劑。這從根源上解決了助焊劑殘留、清洗工序繁瑣的問(wèn)題，符合光通訊芯片對(duì)清潔度的苛刻要求。

激光植球技術(shù)最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其卓越的加工精度和熱控制能力。通過(guò)高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與圖像識(shí)別系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精準(zhǔn)對(duì)齊；激光能量、加熱時(shí)間可精準(zhǔn)調(diào)控，能根據(jù)錫球直徑、焊盤(pán)尺寸的差異匹配最優(yōu)的能量參數(shù)。

對(duì)于光通訊芯片而言，這種精度的直接益處是波導(dǎo)對(duì)齊的可靠性大幅提升。焊接熱影響區(qū)被嚴(yán)格控制在極小范圍（通常＜50μm），顯著降低對(duì)光芯片內(nèi)部熱敏元件和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱損傷風(fēng)險(xiǎn)。

05 前沿發(fā)展

激光植球技術(shù)正在向更高精度、更高效率和智能化方向發(fā)展，為下一代光通信系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。新的工藝方案已能夠更好地應(yīng)對(duì)超窄間距的挑戰(zhàn)。如最新的激光植球工藝通過(guò)“無(wú)助焊劑錫球、通過(guò)激光植球方式，實(shí)現(xiàn)芯片微尺寸凸點(diǎn)的制造、焊接和修復(fù)”。

針對(duì)激光器與光芯片集成時(shí)波導(dǎo)對(duì)齊難題，創(chuàng)新封裝方案“將激光器芯片和光芯片貼裝至第一襯底，使激光器芯片的波導(dǎo)與光芯片的波導(dǎo)位于同一水平面，且激光器芯片的植球面與光芯片的植球面位于同一水平面”。

行業(yè)研究機(jī)構(gòu)已證實(shí)了激光植球在先進(jìn)封裝中的關(guān)鍵作用。激光植球工藝被定位為“系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）核心工序”，正在突破微電子精密互連的瓶頸。從技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)看，激光加工與光芯片制造的結(jié)合正在深化。飛秒激光脈沖加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的三維結(jié)構(gòu)制造。

全球范圍內(nèi)，激光植球技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)精度革命。國(guó)內(nèi)企業(yè)已在50μm植球領(lǐng)域取得突破，這不僅標(biāo)志著精密制造技術(shù)的升級(jí)，更是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向小型化、高性能化演進(jìn)的關(guān)鍵支撐。