助力先进半导体封装制造的402nm 4.5W紫色半导体激光器，兼顾高输出功率与高可靠性，提升无掩模曝光吞吐量

发布时间：2026-09-17来源：激光制造网LaserfairCom

随着AI高性能计算的发展，Chiplet、2.5D／3D、晶圆级封装、面板级封装等将多颗芯片高密度集成的先进半导体封装，其开发与应用正在加速。与此同时，在RDL（再布线层）及封装基板的精细电路形成过程中，需要支持大面积基板，并补偿基板变形和位置偏移，同时适配多种光刻胶材料。此外，还需在不降低量产吞吐量的前提下实现这些要求。

特别是在中国曝光设备市场，无需光掩模、直接根据设计数据绘制图形的无掩模曝光，正逐步应用于晶圆级、面板级及封装基板等工序。在无掩模曝光方式中，使用激光光源进行绘制的方式称为LDI（Laser Direct Imaging，即激光直接成像）。LDI设备需要具备多曝光头并行处理、自动对准、自动聚焦，以及基板或芯片变形与位置偏移补偿等功能。与之配套的LDI光源也必须具备适合光刻胶材料的波长、较高的光输出功率，以及可承受连续运行的散热设计和可靠性。

满足上述要求的LDI光源核心器件是半导体激光器。其中，接近传统曝光机所用汞灯h线（405nm）的402nm波段，是LDI的主流光源方案。但是，402nm波段半导体激光器的输出功率越高，发热和器件负荷也越大，因此难以同时确保高光输出功率和可靠性。新唐科技日本株式会社（以下简称“本公司”）的KLC434FL01WW采用TO-9 CAN封装，实现4.5W光输出功率，达到上一代3.0W产品的1.5倍。

本文面向先进半导体封装用LDI设备及激光光源模块的设计与评估人员，介绍光输出功率提升至4.5W对设备设计带来的价值，以及导入前需要确认的要点。

1. 无掩模曝光／LDI为何受到先进半导体封装领域关注

在先进半导体封装的电路形成工序中，需要在应对晶圆和大型面板翘曲、芯片位置差异以及不同光刻胶材料感光度差异的同时，确保较高的生产效率。

采用光掩模的曝光方式需要针对每个产品品种设计并制作与电路图形对应的掩模，因此需要承担相应费用和制作周期。相比之下，无掩模曝光直接根据设计数据绘制图形，无需设计和制作光掩模，并可灵活应对数据变更。此外，该方式也便于加入针对位置偏移或变形的补偿，适合工序和封装结构日益多样化、采用多品种和短周期生产的先进半导体封装。

2. 光源模块与半导体激光器的关系

曝光头（光学引擎）中安装有集成半导体激光器的激光光源模块（以下简称“光源模块”）。为获得曝光所需的总光量，光源模块通常组合使用多颗半导体激光器的光。搭载数量取决于所需总光量、光学耦合效率、扫描方式等设备配置。对于量产设备，除绘制精度外，还要求单位时间内的处理量，而光源模块的总光量是实现这一目标的基础。因此，提高单颗半导体激光器的光输出功率，可形成两种设计方针：在搭载数量不变的情况下获得更高的总光量，或者以更少的搭载数量获得相同的总光量。采用不同的设计方针，将影响光学系统结构、驱动电路、设备侧热设计以及设备吞吐量。

3. KLC434FL01WW的主要规格

KLC434FL01WW是一款用于连续波（CW）工作的边缘发射型（EEL）半导体激光器。下表所列光输出功率为安装到光源模块之前的单颗半导体激光器数值。

项目	KLC434FL01WW	KLC432FL01WW（上一代产品）
波长	402nm	402nm
光输出功率	4.5W	3.0W
封装	Φ9.0mm TO-9 CAN	Φ9.0mm TO-9 CAN

其特点在于，采用与上一代产品相同的Φ9.0mm TO-9 CAN封装，同时将光输出功率提升至上一代产品的1.5倍。作为402nm波段、CW工作模式的量产产品，实现4.5W光输出功率（外壳温度25℃）。

4. 在402nm波段确保高输出功率和可靠性的技术课题与应对技术

对于402nm波段半导体激光器，需要应对激光芯片自发热、激光端面负荷和散热性能这三项技术课题。KLC434FL01WW采用了以下技术。

课题	阻碍提高输出功率的因素	本公司应对技术
激光芯片自发热	紫色半导体激光器的电光转换效率（WPE）相对较低，部分电能输入会转化为热量。输出功率越高，发热越大。	采用提高WPE的器件结构，从源头抑制发热
激光端面负荷	在短波长、高输出功率工作条件下，激光发射端面承受的光学负荷增大。	采用抑制端面劣化因素的独有保护膜技术，提高高输出功率工作时的寿命性能
确保散热性能	高输出功率工作时，需要将器件产生的热量排至外部。若散热不足，温升会影响光输出功率和寿命。	采用高导热材料的一体成型封装结构，高效排出器件产生的热量

通过减少发热本身、迅速排出产生的热量并防止端面劣化，将这三项措施相结合，兼顾了4.5W高输出功率和工业应用所需的可靠性。

5. 4.5W高输出功率带来的两种设计方针

单颗半导体激光器的光输出功率会直接影响整个光源模块的设计。KLC434FL01WW的4.5W高输出功率可提高设备设计的自由度。根据所需总光量和设备配置，其应用方式可归纳为以下两种设计方针。

设计方针1：保持激光器搭载数量，提高光源模块的总光量　在搭载数量不变的情况下提高光源模块总光量，根据曝光条件和设备配置，可能有助于提高扫描速度和处理能力。对于并行使用多个曝光头的设备，提高每个曝光头的总光量也有望提升整机吞吐量。

设计方针2：保持所需总光量，重新评估激光器搭载数量和光源配置　如果所需总光量不变，则有可能用更少的半导体激光器获得同等总光量，从而为重新评估光学部件、驱动电路、安装空间等光源模块配置提供空间。

设计方针	采用目的	主要设计确认项目
设计方针1：保持搭载数量，提高总光量	提高曝光速度与处理能力	光源模块总光量、光学耦合效率、扫描速度、热设计
设计方针2：保持所需总光量，重新评估搭载数量和配置	简化光源部分、节省空间	激光器搭载数量、光学部件、驱动电路、安装空间、冗余性

无论采用哪种设计方针，实际效果均会因光学耦合效率、曝光条件、热设计等因素而异。导入时需要确认的项目汇总于第7节。

6. 覆盖主要光刻胶材料的双波长产品阵容

在先进半导体封装的电路形成过程中，会根据工序、膜厚和分辨率要求使用液态光刻胶、干膜光刻胶等感光材料。其中部分材料对汞灯i线（365nm）或h线（405nm）附近波长具有感光度，因此需要选择适合所用光刻胶材料和工艺的曝光波长。本公司提供如下表所示、波长分别接近相应谱线的半导体激光器。

预期适用的感光材料及汞灯谱线	本公司推荐产品	波长	光输出功率	状态
液态光刻胶 i线（365nm）	紫外半导体激光器KLC330FL01WW	379nm	1.0W	量产中
干膜光刻胶 h线（405nm）	紫色半导体激光器KLC434FL01WW	402nm	4.5W	量产中