掃描式貝塞爾光束TGV技術

前言

因應全球氣候變遷加劇，國際間皆積極透過政策擬定、目標訂定致力於淨零排放，國際大廠亦投入淨零轉型的策略布局，要求供應鏈配合減少碳排放。淨零碳排的議題在上位政策推動、國際大廠驅動以及全球倡議下，已非僅環保主張，成為企業競爭力發展之重要議題。這一議題對於臺灣而言尤為關鍵，因臺灣作為全球主要的半導體和電路板製造基地，特別是在高密度IC(Integrated Circuit, IC)載板的生產上，國內的科技產業界正承受著巨大的環境和經濟壓力。根據中華民國國家發展委員會於2023年發布的「臺灣2050 淨零排放路徑及策略總說明」統計顯示，電子資訊業的碳排放量位居所有產業第二，占臺灣整體的碳排約22%(約32.0百萬噸)，而半導體產業、光電面板產業、與電子製造服務業，占整體電子資訊業八成。在應對這一挑戰的過程中，臺灣的電子產業正積極推動低碳轉型策略，臺灣電路板協會為了符合全球環保的趨勢，並提高企業競爭力，於2023年發布的報告中強調，企業應主動減碳，並與政府的「臺灣2050 淨零排放路徑藍圖」相結合，提出2030年較2020年必須減碳30%的目標。而未來隨著AI、5G和高效能計算等技術的進一步發展，對於低能耗的積體電路IC載板需求將持續上升，進而驅動低碳排製程的高密度IC載板的市場成長。

高密度IC載板和先進封裝技術為臺灣科技產業界著重的焦點，這些技術的核心目標是提升IC晶片的性能，同時降低生產成本。在過去幾年中，研究人員持續探索各種材料作為中介層(Interposer)在2.5D 及3D-IC封裝中的應用，特別是矽晶圓基底的矽通孔TSV(Through-Silicon Via)技術。TSV技術具有封裝空間有效減小、提高輸入/ 輸出端口數量和優良連接性等優勢，但其在微小化過程中的高昂成本和對設備的依賴使其難以在晶圓級封裝和系統單晶片中廣泛應用。因此，在次世代無線系統中，對中介層的要求在厚度變化、材料電熱特性、通孔的深寬比(Aspect Ratio)等方面都需要更大的靈活性。發展至今，由於矽基材料的介電常數仍不夠低，當線路越來越細的趨勢下，RC(Resistor–Capacitor)訊號延遲以及訊號損失變得越來越嚴重，因此，在更高密度的IC載板製造過程中，以玻璃為基板的雷射玻璃鑽孔 技術TGV因其高精度、低損耗、低熱影響區以及低碳排的特性而受到關注。與上述之矽基板TSV技術相比，TGV更能夠減少材料成本，同時省去在TSV製程中必須使用的高耗能設備，如離子束和電漿蝕刻等[1][2]，這使得TGV在未來製程中具有更大的應用潛力。此外，玻璃基板的厚度限制相對較少且取得容易，使得IC在設計自由度上有了更大的提升，尤其在彎曲強度、剛性、平整性、介電常數及膨脹係數等方面皆優於矽基板。如果將TGV技術應用於基板製程，將有望實現未來封裝所需的細線化與大型化。同時，在3D-IC積體電路的應用中，TGV技術能夠顯著提升晶片的密度和性能，有效縮短信號傳輸距離，降低延遲和減少損耗，這對於未來高性能的通訊系統和需要強大運算能力的計算中心及AI、5G相關技術至關重要。

根據YOLE預測，至2025年，全球電信與通訊設施市場將持續以超過11%的年增率成長[3]，這將進一步刺激對高密度IC載板的需求。隨著市場需求的增長，高密度IC載板的設計將朝向線路及孔徑的細微化，並隨著製程技術的進步，實現更大的基板面積。而在面對大型面積基板TGV的目標上，目前的TGV製程速度仍有提升空間，因此，提升TGV製程速度以因應對未來的市場挑戰至關重要。在這樣的前提下，可掃描的雷射圖案化技術作為提升TGV製程產速及製作特殊孔型的潛在解決方案逐漸受到關注。這種新型的光學技術包含特殊的光學加工能力，搭配雷射系統設計和多軸運動控制等技術，不僅能滿足孔徑、線寬及線距微縮的產業需求，更可在提高加工精度和效率的同時，為製造商提供降低能耗之低碳轉型途徑。在此，本文將探討可應用於TGV製作特殊孔型之掃描式雷射技術。

貝塞爾光束TGV製程技術

貝塞爾光束(Bessel Beam)為J. Durnin所提出的特殊雷射光束[4]，其光型分布具有第一類Bessel 函數之同心環狀特徵。利用超快雷射所產生的Bessel光束之加工景深可達數毫米以上，景深與聚焦光斑寬度之深寬比可達100 以上，因此常應用於玻璃TGV、微流道或3D 結構等高深寬比需求之製程[5][6]。Bessel光束一般利用椎狀透鏡來產生，並利用投影鏡組將其重新聚焦於玻璃內部。Bessel光束具有同心環分布的光形，中心主光斑強度最高，外圍環繞之次光斑能量則依序向外遞減，其光學架構特性如圖1所示。由於超快雷射的非線性光學效應，當Bessel光束的脈衝峰值強度達到約1~10GW/cm2 以上的損傷閥值時，超快雷射將對玻璃產生光學誘發擊穿反應，使玻璃內部產生碎裂、游離化、空洞化等一系列的雷射改質反應。而Bessel光束之聚焦光斑尺寸一般僅約10微米以下，當期脈衝能量超過玻璃損傷閥值後，可藉由多光子吸收等非線性效應，將雷射改質區域控制在數微米內，精確控制TGV孔徑尺寸。