Прецизни оптични системи за производство на TGV с FS лазер

Забележка за приложение Сериен номер: AN-SGYL-01-03-26

Стъклените отвори (TGV) са критична технология за усъвършенствано електронно и фотонно пакетиране, с разширяващи се приложения в RF и mmWave модули, високоплътни интерпозери, MEMS пакетиране, сензори за изображения и интегрирана фотоника. Те позволяват надеждни вертикални електрически връзки през стъклени подложки, поддържайки компактни триизмерни архитектури и хетерогенна интеграция между множество платформи на устройства.

В нововъзникващите системи, задвижвани от изкуствен интелект, като например ускорители на изкуствен интелект, интеграция на високоскоростна памет (HBM), чиплетни архитектури и усъвършенствана ко-пакетирана оптика, TGV играят все по-важна роля, като осигуряват вертикални взаимовръзки с ниски загуби и висока плътност с отлична термична и размерна стабилност. Материалните им свойства спомагат за поддържането на прецизно подравняване и структурна цялост, които са от съществено значение за тясно интегрирани многочипови системи, работещи с високи скорости на пренос на данни.

В сравнение с конвенционалните силициеви или органични подложки, стъклените интерпозери с TGV предлагат по-ниски диелектрични загуби при високи честоти, подобрена цялост на сигнала и по-добра енергийна ефективност. Стъклото също така осигурява превъзходна гладкост на повърхността, ниско изкривяване и силна електрическа изолация, което позволява по-фини слоеве за преразпределение и по-висока плътност на взаимовръзките. Тези предимства са от решаващо значение за мащабни изчисления с изкуствен интелект, високоскоростно движение на данни и хетерогенна интеграция, където минимизирането на влошаването на сигнала и консумацията на енергия пряко влияе върху цялостната производителност на системата.

Тъй като хардуерът с изкуствен интелект продължава да се мащабира по отношение на сложност и изисквания за честотна лента, технологията на TGV се превръща в ключов инфраструктурен елемент за платформи с изкуствен интелект от следващо поколение. Чрез поддръжката на висока честотна лента, комуникация с ниска латентност и мащабируема системна интеграция, TGV допринасят за по-ефективни, компактни и високопроизводителни изчислителни архитектури.

1. Техники за формиране на TGV и предимството на ултрабързата лазерна обработка

TGV могат да бъдат произведени с помощта на различни техники, включително механично пробиване, мокро и сухо химическо ецване, пясъкоструене, електроерозионна обработка и лазерна обработка. Всеки метод предлага свои собствени компромиси по отношение на постижимия диаметър, съотношението на страните, ъгъла на конусност, грапавостта на страничните стени, производителността, мащабируемостта и общите разходи за процеса. Например, механичното пробиване е сравнително лесно, но е ограничено по отношение на минималния размер на елемента и може да доведе до отчупване. Химическото ецване може да постигне по-гладки странични стени, но често изисква маски и по-дълго време за обработка. Електроерозионната обработка е подходяща за определени проводими слоеве, но е по-рядко срещана за чисти стъклени основи. Следователно, изборът на подход за производство трябва да бъде внимателно съобразен с целевото приложение, изискванията за електрически характеристики и обема на производство.

Сред наличните техники, ултрабързата лазерна обработка, особено фемтосекундните (fs) лазери, предлага значителни предимства за формирането на TGV. Fs лазерите позволяват висока прецизност чрез пробиване с минимални зони, засегнати от топлина, незначителни микропукнатини и отлично качество на страничните стени, дължащо се на нелинейно поглъщане и така наречените механизми на „студена“ аблация в прозрачни материали. Тъй като отлагането на енергия се случва в ултракратък времеви мащаб, термичната дифузия в околния материал е значително намалена, което води до ограничени странични щети и висока размерна точност.

В допълнение, fs-лазерната обработка поддържа производството на отвори с високо съотношение на страните и малък диаметър с тесен позиционен толеранс, което я прави подходяща за дизайн на интерпозери с висока плътност и усъвършенствани 2.5D и 3D интеграционни схеми. Гъвкавостта на лазерно-базираното моделиране позволява и обработка без маска, бърза итерация на дизайна и съвместимост с широк спектър от видове стъкло. Тези характеристики правят fs-лазерното производство на TGV особено привлекателно за високопроизводителни електронни и фотонни корпуси от следващо поколение, където надеждността, прецизността и мащабируемостта са от решаващо значение.

2. Предизвикателствата при оптичния дизайн и производство на прецизни оптични системи за производство на TGV с FS лазер

Проектирането и производството на оптични системи за фемтосекундни (fs) лазерни обработващи системи представляват значителни технически предизвикателства поради едновременните изисквания за запазване на ултракъсите импулси, обработка на висока пикова мощност и изключителна пространствена прецизност. За разлика от конвенционалните наносекундни или непрекъснатовълнови лазерни системи, fs лазерите разчитат на поддържането на изключително кратка продължителност на импулсите, за да задействат нелинейни механизми на абсорбция. Всяко непреднамерено времево разширение директно намалява интензитета на пиковете и компрометира ефективността и повторяемостта на обработката.

От гледна точка на оптичния дизайн, системата трябва стриктно да контролира хроматичната дисперсия, дисперсията на груповото закъснение (GDD) и дисперсията от по-висок порядък по целия път на лъча, за да предотврати разширяването на импулса, което би намалило ефективността на нелинейното поглъщане. Това включва приноси от обемни материали, пропускаща оптика, защитни прозорци , разширители на лъча , сканиращи лещи и дори въздушни пътища. Често са необходими стратегии за компенсация на дисперсията, като например чирпирани огледала или схеми за предварителна компенсация. В същото време оптиката трябва да поддържа фокусиране с висока числена апертура, за да се постигнат характеристики в микронен или субмикронен мащаб, като същевременно се поддържа достатъчно работно разстояние, телецентричност, където е необходимо, и равномерно разпределение на енергията по целия фокален обем. Балансирането на високата производителност на числовата апертура с възможността за сканиране на голямо поле допълнително увеличава сложността на системата.

От гледна точка на производството, оптичните компоненти трябва да показват изключително качество на повърхността, точност на фигурата и хомогенност на материала, за да се избегне изкривяване на вълновия фронт, локално усилване на полето и лазерно индуцирано увреждане при високи пикови интензитети. Дори малки подповърхностни дефекти или включвания могат да действат като места за иницииране на повреди при ултрабързо облъчване. Строгите допуски за центриране и прецизното подравняване са от съществено значение за запазване на качеството на лъча и минимизиране на аберациите. Освен това, широколентовите, нискодисперсионните и покритията със сериозни прагове на повреди са трудни за проектиране и производство по последователен начин, особено за сложни многоелементни лещи, работещи в диапазон от ъгли на падане. Трябва да се вземат предвид и напрежението на покритието, устойчивостта на околната среда и дългосрочната стабилност.

Тези комбинирани ограничения правят оптичните системи с fs лазери значително по-взискателни от конвенционалната наносекундна или непрекъснатовълнова лазерна оптика . Успешното внедряване изисква тясна ко-оптимизация на оптичния дизайн, материалите на подложката, инженерството на покритията, термичното управление и ултрапрецизните производствени процеси, за да се осигури стабилна, повтаряема и високопроизводителна работа в индустриални среди.

3. Оптични изисквания и избор на лещи

Въпреки многобройните предизвикателства, споменати по-горе, Wavelength Opto-Electronic успешно е разработил видове прецизна оптика които могат да се използват в производството на TGV с FS лазер. И отговарят на изискванията по-долу:

Системата от лещи трябва да фокусира ултрабързи лазерни импулси в петна с размер ~20–50 µm и да поддържа постоянен фокус върху полето на сканиране. Телецентричните F-тета сканиращи лещи минимизират конусността и изкривяването.

Препоръчителните лещи (серия TSL) поддържат дължини на вълните 355 nm, 515 nm или 1030 nm и осигуряват необходимите размери на петната. По-късата дължина на вълната създава по-малки отвори; UV лещите 355 nm дават най-малките отвори, докато IR лещите 1030 nm са оптимизирани за по-дълбоки или по-дебели стъклени подложки.

Таблица 1. Препоръчителни лещи за TGV приложение с fs/ps лазер

4. Обобщение

Технологията TGV бързо се утвърждава като крайъгълен камък на усъвършенстваното електронно и фотонно пакетиране, водена от нарастващото търсене на по-висока честотна лента, повишена плътност на интеграция и превъзходна цялост на сигнала в електронните и фотонните устройства от следващо поколение. Способността за създаване на плътни вертикални връзки с ниски загуби в стъклени субстрати е от решаващо значение за приложения, вариращи от високоскоростни RF и mmWave модули до интеграция на памет с висока честотна лента, чиплетни архитектури, MEMS пакетиране, сензори за изображения и интегрирана фотоника.

Прецизните оптични системи, проектирани за фемтосекундна fs лазерна обработка, играят решаваща роля в тази еволюция, позволявайки формирането на ултрапрецизни микроотвори с високо съотношение на страните, минимални термични повреди, незначителни микропукнатини и изключителен контрол на качеството на размерите и повърхността. Чрез внимателно управление на продължителността на импулса, дисперсията и разпределението на енергията, тези оптични системи позволяват надеждно производство на отвори с висока плътност, което отговаря на строгите изисквания на съвременната електронна и фотонна интеграция.

Използвайки задълбочен експертен опит в ултрабързите лазерна оптика, Wavelength Opto-Electronic е разработила цялостно портфолио от високопроизводителни лещи, обхващащи UV до NIR дължини на вълните, включително оптика с висока числена апертура и ниска дисперсия, оптимизирана за фемтосекундна лазерна обработка. Тези решения директно подпомагат производството на TGV, базирано на fs-лазер, осигурявайки постоянно качество, висока производителност и мащабируемост. Чрез тези приноси, Wavelength Opto-Electronic помага за развитието на глобалната екосистема на TGV, като дава възможност за създаването на хардуерни платформи от следващо поколение, които изискват висока производителност, надеждност и прецизност в сложни, хетерогенни интеграционни среди.