玻璃通孔技術(shù)研究進展*

陳 力，楊曉鋒，于大全,2

（1.廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361000；2.廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司，福建 廈門 361026）

1 引言

隨著智能手機、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、高性能計算、5G、人工智能等新興領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，隨之出現(xiàn)的各種新的應(yīng)用對先進封裝提出更高的要求。硅基轉(zhuǎn)接板2.5D 集成技術(shù)作為先進系統(tǒng)集成技術(shù)，近年來得到了迅猛的發(fā)展。但硅基轉(zhuǎn)接板存在兩個主要問題：1)成本高，硅通孔(TSV)制作采用硅刻蝕工藝，隨后硅通孔需要氧化絕緣層、薄晶圓的拿持等技術(shù)；2)電學(xué)性能差，硅材料屬于半導(dǎo)體材料，傳輸線在傳輸信號時，信號與襯底材料有較強的電磁耦合效應(yīng)，襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，造成信號完整性較差（插損、串?dāng)_等）[1]。作為一種可能替代硅基轉(zhuǎn)接板的材料，玻璃通孔（TGV）轉(zhuǎn)接板因其眾多優(yōu)勢正在成為國內(nèi)外半導(dǎo)體企業(yè)和科研院所的研究熱點[2-5]。

與硅基轉(zhuǎn)接板相比，玻璃轉(zhuǎn)接板的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8；2）優(yōu)良的高頻電學(xué)特性：玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2～3 個數(shù)量級，使得襯底損耗和寄生效應(yīng)大大減小，可以有效提高傳輸信號的完整性；3）大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取：康寧、旭硝子以及肖特等玻璃廠商可以量產(chǎn)超大尺寸（大于2 m×2 m）和超薄（小于50 μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；4）工藝流程簡單：不需要在襯底表面及TGV內(nèi)壁沉積絕緣層，且超薄轉(zhuǎn)接板不需要二次減薄；5）機械穩(wěn)定性強：當(dāng)轉(zhuǎn)接板厚度小于100 μm 時，翹曲依然較小；6）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：除了在高頻領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景之外，透明、氣密性好、耐腐蝕等性能優(yōu)點使玻璃通孔在光電系統(tǒng)集成領(lǐng)域[6]、MEMS 封裝領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

目前玻璃轉(zhuǎn)接板技術(shù)已得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，大批科研人員針對TGV 玻璃轉(zhuǎn)接板開展了大量的相關(guān)工藝技術(shù)[3-5]、器件集成技術(shù)的研究工作，如高密度TGV 制作、TGV 的金屬填充、表面高密度金屬布線，玻璃基集成波導(dǎo)、芯片間光互聯(lián)、濾波器、射頻模塊等[6-8]。本文對TGV 成孔技術(shù)、TGV 金屬填充技術(shù)、TGV 高密度布線技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了綜述。

2 玻璃通孔成孔技術(shù)

制約玻璃通孔技術(shù)發(fā)展的主要困難之一就是玻璃通孔成孔技術(shù)，需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。多年以來，許多研究工作都在致力于研發(fā)低成本、快速可規(guī)模化量產(chǎn)的成孔技術(shù)。下面將簡要介紹近年來常用的玻璃通孔成孔技術(shù)，同時分析其優(yōu)缺點。

2.1 噴砂法

首先需要在玻璃基板上制作一層復(fù)合掩模，然后以制備的復(fù)合掩模為基礎(chǔ)，采用干粉噴砂工藝對玻璃晶片進行蝕刻[9-11]。考慮到蝕刻效率和寬高比，可在玻璃晶片的一側(cè)先蝕刻一次；隨后，在玻璃晶片的另一側(cè)也采用上述同樣的工藝步驟進行蝕刻。在兩次噴砂蝕刻過程中，必須保證對中形成完整的通孔。通過噴砂法制作的玻璃通孔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖1 可以明顯看出，噴砂法制作的通孔非常粗糙；該方法只能制作孔徑較大(＞200 μm)、間距較大的玻璃通孔；該工藝中使用的沙粒直徑為20～50 μm，如此大的顆粒會對玻璃表面以及孔的側(cè)壁造成封裝系統(tǒng)無法接受的損傷。

圖1 噴砂法制作的TGV 結(jié)構(gòu)[9]

2.2 光敏玻璃法

通過紫外線照射定義圖形，光敏玻璃中摻雜有一定濃度的三價鈰離子（Ce3+）和銀離子（Ag+），經(jīng)過一定波長的紫外線曝光后，三價鈰離子釋放一個電子變成四價的鈰離子（Ce4+），銀離子與釋放的電子結(jié)合形成銀原子，該區(qū)域形成變性區(qū)，主要反應(yīng)式如下：

曝光后再經(jīng)過后續(xù)的高溫?zé)Y(jié)工藝，經(jīng)過紫外光照射的區(qū)域材料屬性轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾刹牧希詈笸ㄟ^氫氟酸腐蝕去除陶瓷材料。詳細(xì)工藝流程如圖2 所示。基于光敏玻璃的TGV 制作方法，其優(yōu)勢在于采用高刻蝕速率的濕法腐蝕實現(xiàn)各向異性刻蝕，可獲得高密度、高深寬比的TGV。圖3 為該工藝制作的TGV 陣列顯微圖像。但是該技術(shù)也存在兩個問題：1)價格昂貴，包括光敏玻璃本身的材料價格和工藝制程價格；2)對于不同尺寸的圖形，尤其是盲孔或者盲槽的刻蝕，由于腐蝕速率不同，會造成圖形定義精度差別較大[12-13]；同時，由于需要高溫處理，會造成玻璃在半固化狀態(tài)下移動，造成結(jié)構(gòu)偏移。

在對危害社會行為的制裁體系上，我國與西方國家有著明顯的不同。多數(shù)西方國家都不為犯罪設(shè)置定量因素，而是從整體上將全部犯罪分為重罪與輕罪或者重罪、輕罪與違警罪等不同的輕重層次，并在制裁的方法和程序等方面體現(xiàn)出相應(yīng)的差別。我國則是通過為犯罪設(shè)置定量因素，進而將眾多在“量”上達不到犯罪要求的危害行為都劃入行政違法的范疇，由此也便形成了“刑罰+行政處罰”的雙層次制裁體系。那么，在我國也對犯罪進行輕重分層之后，就勢必會面臨著要否將相關(guān)的行政違法行為納入輕罪范圍的問題。

圖2 基于光敏玻璃材料的TGV 工藝流程[12]

圖3 光學(xué)顯微鏡圖像[12]

2.3 聚焦放電法

聚焦放電主要包括兩個步驟：1)將玻璃放在兩個電極之間，通過控制放電對玻璃局部區(qū)域進行放電熔融；2)通過焦耳熱使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生高應(yīng)力，引起內(nèi)部高壓和介電擊穿。圖4 表示聚焦放電制作TGV 的示意圖。上述步驟可以在不到1 μs 的時間內(nèi)就完成100～500 μm 厚的玻璃通孔制備。該方法可以制備最小孔徑為20 μm、深寬比5～8 的玻璃通孔。且聚焦放電產(chǎn)生玻璃通孔的方法可以制備多種類型的玻璃，如石英、鈉鈣玻璃、無堿玻璃、含堿玻璃[14]。圖5 為聚焦放電制作的TGV 陣列，從圖中可以看出，該方法能夠制作均勻性較好、沒有裂紋的高密度通孔；但是從玻璃通孔的切片結(jié)果來看，通孔的形狀不是很垂直。

圖4 聚焦放電制作TGV 的示意圖[14]

圖5 掃描電鏡圖[14]

2.4 等離子體刻蝕法

用等離子刻蝕法在石英玻璃上制作玻璃通孔步驟如下：1）在石英上蒸發(fā)沉積了一層鋁層作為刻蝕硬掩模；2）通過光刻的方法暴露出玻璃表面需要光刻的位置；3）用氯氣或者三氯化硼腐蝕暴露的鋁層，用氧氣等離子體去除玻璃表面的光刻膠；4）利用全氟環(huán)丁烷/氬氣等離子體蝕刻石英以形成TGV[15]。其簡要步驟如圖6 所示。

圖6 等離子體刻蝕法制作TGV

等離子體法刻蝕TGV 可以并行進行，同時進行大面積TGV 刻蝕，且側(cè)壁粗糙度小（＜150 nm），側(cè)壁無損傷，擁有良好的可靠性保證。但是等離子刻蝕TGV 的方法也還存在許多缺點。截至目前，阻礙干法刻蝕成孔大范圍應(yīng)用的的難點主要有：1）工藝復(fù)雜；2）成本高；3）刻蝕速率慢，速率小于1 μm/min。

2.5 激光燒蝕法

激光燒蝕TGV 制作是利用激光的能量將玻璃燒蝕以形成玻璃通孔。激光燒蝕所使用激光器主要包括飛秒激光、皮秒激光、納秒準(zhǔn)分子激光器和CO2激光器等。喬治亞理工學(xué)院研究人員分別采用CO2激光和準(zhǔn)分子激光在玻璃上制作的通孔如圖7 和圖8 所示[16]。CO2激光屬于“熱激光”，其通過局部燒蝕玻璃材料形成TGV。但利用該種激光制備的TGV 側(cè)壁裂紋較多（熱應(yīng)力問題）。準(zhǔn)分子激光器屬于“冷激光”，其燒蝕形成的TGV 孔壁基本上沒有裂紋出現(xiàn)，但是孔壁的粗糙度略大（4～5 μm），且成孔效率較低。

圖7 CO2激光制作通孔：光學(xué)顯微鏡圖片[16]

圖8 準(zhǔn)分子激光制作通孔：SEM 圖像[16]

2.6 電化學(xué)放電加工法

電化學(xué)放電加工法是一種將電火花加工（EDM）和電解加工（ECM）相結(jié)合的新型低成本玻璃微加工方法。該方法通過電解液的電化學(xué)放電和化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的熱熔作用，將材料從基板中去除。電化學(xué)加工的電解槽由一個堿性電解質(zhì)溶液（氫氧化鉀、氫氧化鈉等）和兩個電極組成，工具電極和對電極分別連接到電源的正、負(fù)端子上。當(dāng)兩個電極之間施加電位差時，在工具電極周圍由于氣泡的聚結(jié)而形成一層薄薄的氫氣膜，該氣體膜將工具電極與周圍的電解液完全隔離。當(dāng)電位差進一步增大時，上述氫氣膜破裂，產(chǎn)生電化學(xué)放電，將玻璃融化并移除。該方法不僅工藝簡單，且對設(shè)備要求較低，能快速加工出TGV。但是，截至目前該方法只能加工出孔徑大于300 μm 且上開口大于下開口的錐形玻璃通孔，這也大大限制了該方法的應(yīng)用范圍[17-19]。圖9 為電化學(xué)放電法制備TGV 裝置。

圖9 電化學(xué)放電法制備TGV 裝置

2.7 激光誘導(dǎo)刻蝕法

通過脈沖激光誘導(dǎo)玻璃產(chǎn)生連續(xù)的變性區(qū)，相比未變性區(qū)域的玻璃，變性玻璃在氫氟酸中刻蝕速率較快，基于這一現(xiàn)象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。德國LPKF 公司率先用該技術(shù)實現(xiàn)了玻璃通孔制備[20]，該公司將該方法分為兩步：1)使用皮秒激光在玻璃上產(chǎn)生變性區(qū)域；2)將激光處理過的玻璃放到氫氟酸溶液中進行刻蝕。國內(nèi)，廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司也利用激光誘導(dǎo)變性技術(shù)實現(xiàn)了低成本、高效率、高均勻性玻璃通孔/盲孔制作[21]，其簡要步驟如圖10 所示。

圖10 激光誘導(dǎo)刻蝕制作TGV[21]

光學(xué)顯微鏡圖像如圖11 所示，該方法可以在50～500 μm 厚的玻璃上形成孔徑大于20 μm 的玻璃通孔/盲孔。該技術(shù)的優(yōu)點如下：1)成孔質(zhì)量均勻，一致性好，無裂紋；2)成孔速率快，可達到290 TGV/s[21]；3)TGV 形貌可調(diào)，由于刻蝕的各向異性，可以通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)來控制TGV 的垂直度和形貌。綜合比較各種玻璃通孔制造技術(shù)，激光誘導(dǎo)刻蝕法具有低成本優(yōu)勢，有大規(guī)模應(yīng)用前景。

圖11 光學(xué)顯微鏡圖像[21]

與傳統(tǒng)的平面集成技術(shù)相比，玻璃通孔技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直互連，從而將集成空間擴展到了第三維度，顯著提升了空間的利用率。TGV 成孔技術(shù)是目前玻璃通孔技術(shù)的難點之一，已報道有多種TGV 成孔方法，如噴砂法、光敏玻璃法、聚焦放電法、等離子刻蝕法、激光燒蝕、電化學(xué)、激光誘導(dǎo)刻蝕法。本節(jié)詳細(xì)介紹了以上幾種TGV 成孔方法，比較了不同制作方法的優(yōu)缺點，最后的總結(jié)如表1 所示。

3 玻璃通孔填孔技術(shù)

除TGV 成孔技術(shù)外，限制玻璃通孔應(yīng)用的另一個技術(shù)難點是高質(zhì)量的金屬填充。與TSV 不同，TGV孔徑較大，且多為通孔，電鍍時間長、成本高；另一方面，與硅材料不同，由于玻璃表面平滑，與常用金屬（如Cu）的黏附性較差，容易造成玻璃襯底與金屬層之間的分層現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬層卷曲甚至脫落等現(xiàn)象。

表1 不同TGV 成孔技術(shù)的優(yōu)缺點

3.1 TGV 金屬實孔填充

圖12 玻璃轉(zhuǎn)接板工藝流程示意圖[22]

另外一個將TGV 填實的方案是使用金屬導(dǎo)電膠進行TGV 填實[17]。利用金屬導(dǎo)電膠的優(yōu)點是固化后導(dǎo)電通孔的熱膨脹系數(shù)可以調(diào)節(jié)，使其接近基材，避免了因CTE 不匹配造成的失效。通過對銅導(dǎo)電膠填充工藝的優(yōu)化，實現(xiàn)了間距為130 μm、孔徑為50 μm 的TGV 金屬化。Cu 導(dǎo)電膠填充后的TGV 孔如圖13 所示。研究表明，采用銅導(dǎo)電膠填充后的TGV 電導(dǎo)率約為1.6～1.9(Ω·m2)-1。該方法工藝簡單，且能夠在一定程度上降低TGV 金屬化成本。但是，部分導(dǎo)電膠，特別是銅導(dǎo)電膠的電性能比較差，這也阻礙了該方法在高頻電子器件或電子系統(tǒng)上的應(yīng)用。

圖13 采用銅導(dǎo)電膠填充后的TGV[17]

3.2 TGV 孔內(nèi)電鍍薄層

除TGV 電鍍填實外，TGV 也可采用通孔內(nèi)電鍍薄層方案實現(xiàn)電學(xué)連接。研究表明，在電性能方面，薄層電鍍與實心電鍍的插入損耗差別較小。采用薄層電鍍方案的優(yōu)勢是在保證電學(xué)性能的同時可以有效減小電鍍時間和電鍍成本。通常電鍍填孔需要沉積金屬粘附層如鈦(Ti)、鉻(Cr)等，種子層Cu，然后進行電鍍。旭硝子公司的研究結(jié)果顯示Cr 層與ENA 1 玻璃的粘附性最好（347.8 mN），大于硅與鎢化鈦（TiW）金屬層間的244.1 mN。清華大學(xué)研究了關(guān)于在康寧公司的玻璃上濺射不同種類（TiW、Ti、Cr、Cu）、不同厚度（50 nm、100 nm、150 nm）金屬材料以及不同玻璃表面粗糙度的對比實驗，并進行了劃痕測試。研究表明，在進行的實驗中，50 nm 的TiW 在粗糙度為4.4 nm 的玻璃襯底上黏附性最強[23]。

但是，對于高深寬比通孔來說，物理氣相沉積的設(shè)備和工藝過于昂貴。因此，近年來研發(fā)人員在開發(fā)采用化鍍Cu 種子層的低成本TGV 填充方案，然后再通過半加成法（SAP）在光刻膠圖形上電鍍出Cu 線路。由于玻璃與金屬Cu 之間熱膨脹系數(shù)不同（玻璃為3×10-6/K，Cu 為17×10-6/K），化學(xué)結(jié)構(gòu)存在明顯差異，并且玻璃具有非常光滑的表面，導(dǎo)致玻璃與化鍍Cu 之間的黏附力差，需要特殊的處理來提高結(jié)合力。美國安美特公司報道了金屬氧化物黏附增強方法[25-26]，通過把玻璃基板浸入化學(xué)藥液，覆蓋納米厚度的金屬氧化物助黏膠形成黏附層提高化鍍Cu 層的黏附力，9 nm厚度黏附層圖片如圖14 所示。當(dāng)黏附層的厚度增加至5～20 nm 時，Cu 與玻璃之間的剝離強度達到6 N/cm 以上。但是，截至目前通過黏附層提高結(jié)合力的機理尚不清楚，可能原因是由于黏附層納米尺度的機械釘扎作用以及化學(xué)反應(yīng)結(jié)合共同作用的結(jié)果[24]。此外，喬治亞理工學(xué)院研發(fā)人員將環(huán)氧聚合物干膜貼在玻璃表面，提高化鍍Cu 與玻璃之間的結(jié)合力[27-28]。在薄玻璃襯底上層壓介質(zhì)層，在增強玻璃襯底機械強度的同時，可以作為表面RDL 的黏附層，增強抗剝離強度。采用該方案得到的結(jié)果如圖15 所示。該方案存在的主要問題是增加了工藝，表面聚合物膜需要通過激光或干法刻蝕，而且由于孔內(nèi)沒有聚合物涂敷，在可靠性方面可能存在失效風(fēng)險。為了進一步簡化工藝，ONITAKE 等開發(fā)了基于254 nm 光波的紫外光清洗后直接化鍍Cu 工藝[29]。紫外光清洗技術(shù)是利用有機化合物的光敏氧化作用去除黏附在材料表面的有機物質(zhì)，碳?xì)浠衔镂漳芰亢蠓纸獬呻x子、游離態(tài)原子、受激分子和中子，經(jīng)過清洗后的材料表面可以達到原子級清潔度。測試結(jié)果顯示Cu 與玻璃之間的剝離強度為3.5 N/cm。

圖14 金屬氧化物粘附層透射電鏡(TEM)圖片[25]

圖15 聚合物干膜方案TGV 金屬化后的結(jié)果

4 玻璃通孔高密度布線

4.1 線路轉(zhuǎn)移（CTT）和光敏介質(zhì)嵌入（PTE）

相對于有機襯底而言，玻璃表面的粗糙度小，所以在玻璃上可以進行高密度布線。佐治亞理工對玻璃轉(zhuǎn)接板高密度布線做了很多研究。由于半加成工藝法在線寬小于5 μm 的時候會面臨許多挑戰(zhàn)，例如在窄間距內(nèi)刻蝕種子層容易對銅走線造成損傷且窄間距里的種子層殘留易造成漏電。劉富漢等開發(fā)了CTT 和PTE 技術(shù)[30]。CTT 主要包括兩個過程。1)精細(xì)RDL 線預(yù)制。每一RDL 層可以在可移動載體上單獨制造一層薄導(dǎo)電層，并在轉(zhuǎn)移到基板上之前測試或檢查細(xì)線成品率。精細(xì)線路的形成采用細(xì)線光刻和電解鍍銅的方法，并且以薄銅箔作為鍍層的種子層。工藝流程如圖16(a)所示。2)RDL 層集成到基板上。RDL 層被制造出來后，它們在使用熱壓合的同時被轉(zhuǎn)移到核心層的兩邊，該步驟如圖16(b)所示。

圖16 線路轉(zhuǎn)移過程[30]

PTE 工藝可分為兩個不同的步驟：1)在光敏電介質(zhì)層中形成精細(xì)的溝槽；2)金屬化，包括種子層沉積、電鍍和表面除銅。PTE 詳細(xì)工藝流程如圖17 所示。首先刻蝕基板下側(cè)銅箔，并使用真空壓膜機在基板上側(cè)壓合感光膜，在光刻圖案化后下一步是種子層沉積，采用物理氣相沉積（PVD）分別沉積Ti 和Cu 作為阻擋層和種子層，接著采用電鍍工藝填充溝槽，溝槽填充完后，使用化學(xué)腐蝕劑刻蝕掉上表面的銅從而露出線路。如圖18 所示，劉富漢等使用CTT 和PTE 兩種方法分別達到了RDL 1.5 μm 和2 μm 的線寬線距。

4.2 多層RDL 的2.5D 玻璃轉(zhuǎn)接板技術(shù)

喬治亞理工學(xué)院的LU 等研究了多層RDL 的2.5D 玻璃轉(zhuǎn)接板技術(shù)，實現(xiàn)了面板級光刻后1.5～5 μm的線條溝槽制備，并提出改進式半加成工藝法（SAP）達到了5 μm 以下低成本的線寬制作工藝[31]，即用旋轉(zhuǎn)金剛刀取代昂貴的CMP 對層間RDL 表面平坦化，進而做到低成本多層RDL 堆疊。其工藝步驟如圖19 所示。首先在第一層RDL 的基礎(chǔ)上進行壓膜，然后通過顯影制作通孔并暴露出第一層RDL 的銅焊盤，接著進行種子層濺射。濺射完成后，將高分辨率的光刻薄膜層壓在基板上側(cè)并進行高精度的曝光、顯影。完成上述步驟后，采用電鍍工藝填充通孔并用旋轉(zhuǎn)金剛刀進行表面平坦化，最后去除光刻薄膜并完成種子層刻蝕。通過上述工藝得到的多層RDL 堆疊結(jié)果如圖20所示。

圖17 PTE 工藝流程[30]

圖18 使用CTT 和PTE 兩種方法制作的RDL[30]

圖19 采用改進式SAP 制作多層RDL 的工藝流程[31]

圖20 TGV 金屬化后的多層RDL 堆疊結(jié)果[31]

5 玻璃通孔技術(shù)的應(yīng)用

與硅基轉(zhuǎn)接板相比，玻璃通孔轉(zhuǎn)接板具有更為優(yōu)良的電學(xué)特性和材料特性，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。下面對玻璃通孔轉(zhuǎn)接板的幾個典型應(yīng)用進行綜述。

5.1 玻璃基板的三維集成無源元件

玻璃基板具有優(yōu)異的高頻電學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用于集成無源元件(IPD)之中。2010 年，喬治亞理工的封裝中心率先完成了基于TGV 的濾波器設(shè)計與制作，并與相同的硅基電感對比，其中的電感結(jié)構(gòu)采用TGV 互連形成了高Q 值的三維(3D)螺旋電感，展現(xiàn)了玻璃材料的優(yōu)良電學(xué)特性[32]。2017 年，日月光集團（ASE）的研究人員在玻璃基板上實現(xiàn)了面板級的IPD制作工藝，通過該工藝，成功在408 mm×512 mm 的長方形玻璃基板上制作IPD，如圖21 所示，該方案板材翹曲可控制在1 mm 以內(nèi)，并且無明顯的結(jié)構(gòu)剝落/分層現(xiàn)象[33]，該方案進一步降低了IPD 制作的成本。

圖21 面板上制作的IPD 與203 mm 晶圓上制作的IPD 的對比[33]

2017 年ASE 的LEE 等采用玻璃通孔制作3D 電感，并利用晶圓級集成工藝的優(yōu)勢，將射頻ASIC 模塊與玻璃IPD 模塊集成，形成晶圓級芯片封裝（WLCSP）[34]。該工藝從TGV 金屬化和充填工藝開始，然后進行標(biāo)準(zhǔn)的晶圓級IPD 工藝來完成前端結(jié)構(gòu)。正面結(jié)構(gòu)由電容器、RDL 和凸點下金屬（UBM）組成，然后將晶圓送到裝配工廠進行晶圓級裝配。裝配完成后，再經(jīng)過背面加工，形成3D 電感和焊球焊盤。背面工藝包括玻璃晶片減薄、背面RDL 和鈍化工藝。最后是制作錫球和切割以形成WLCSP。最終得到如圖22 所示的芯片。

圖22 WLCSP[34]

5.2 嵌入式玻璃扇出與集成天線封裝

玻璃通孔技術(shù)不僅可以用于制作TGV，還可以在玻璃上制作空腔，進而為芯片的封裝提供一種名為嵌入式玻璃扇出（eGFO）的新方案。2017 年喬治亞理工的3D 系統(tǒng)封裝研究中心率先實現(xiàn)了用于高I/O 密度和高頻多芯片集成的玻璃面板扇出(GFO)封裝。該技術(shù)在70 μm 厚、大小為300 mm×300 mm 的玻璃面板上完成26 個芯片的扇出封裝，并有效控制芯片偏移和翹曲[35]。2020 年廈門云天半導(dǎo)體科技公司采用嵌入式玻璃扇出技術(shù)開發(fā)了77 GHz 汽車?yán)走_芯片的封裝，并在此基礎(chǔ)上提出了一種高電性能的天線封裝（AiP）方案[36]。該方案具體工藝流程如圖23 所示。在厚度為180 μm 的玻璃晶片中，先采用激光誘導(dǎo)玻璃變性和化學(xué)腐蝕工藝形成玻璃空腔，然后將175 μm 高的芯片放入玻璃空腔中。通過復(fù)合材料將芯片與玻璃之間的縫隙填壓而不產(chǎn)生空隙，同時保護芯片的背面。對晶圓的頂面進行剝離，形成銅RDL，最后進行后續(xù)線路制作、球柵陣列(BGA)制作以及晶圓切片，最終得到如圖24 所示的芯片。

圖23 eGFO 封裝的工藝流程

圖24 基于eGFO 封裝的77 GHz 芯片[36]

2020 年喬治亞理工的TUMMALA 等首次在100 μm 的玻璃基板上實現(xiàn)了在n257 頻段(26.5～29.5 GHz)的芯片嵌入毫米波天線集成模塊，該方案的工藝流程如圖25 所示，首先在玻璃上制作2.5 mm×1.77 mm 的空腔，然后將芯片放入其中并完成后續(xù)線路制作，從而得到應(yīng)用于n257 頻段的毫米波天線[37]；相比于倒裝芯片嵌入技術(shù)，該方案具有更低的信號損耗。

圖25 5G 毫米波集成天線封裝流程[37]

5.3 基于玻璃通孔的微機電系統(tǒng)封裝

玻璃轉(zhuǎn)接板相比于硅轉(zhuǎn)接板具有一系列的優(yōu)勢，因此它也被廣泛應(yīng)用于MEMS 封裝中，2013 年，LEE等利用玻璃通孔技術(shù)實現(xiàn)射頻MEMS 器件的晶圓級封裝，采用電鍍方案實現(xiàn)通孔的完全填充，通過該方案制作的射頻MEMS 器件在20 GHz 時具有0.197 dB的低插入損耗和20.032 dB 的高返回?fù)p耗，在40 GHz以內(nèi)具有穩(wěn)定的射頻性能[38]。2016 年，廈門大學(xué)的馬盛林等提出了一種基于TGV 轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS 器件晶圓級封裝方案。在400 μm 厚的玻璃基板上制作TGV 通孔，后續(xù)金屬化則采用濺射Al 的方案，最終實現(xiàn)了一個MEMS 加速計的封裝制作[39]；工藝加工結(jié)果如圖26 所示。2018 年，LAAKSO 等創(chuàng)造性地使用磁輔助組裝的方式來填充玻璃通孔，并且將該技術(shù)應(yīng)用于MEMS 器件的封裝中，如圖27 所示。

圖26 基于TGV 轉(zhuǎn)接板的MEMS 加速計[39]

圖27 采用磁輔助組裝在玻璃基板上實現(xiàn)MEMS 封裝[40]

通過該方法填充的TGV 具有低電阻、高集成密度的特點，同時能夠有效改善金屬與玻璃間不匹配的問題[40]。

5.4 基于TGV 工藝的集成天線

廈門大學(xué)的張淼等基于先進封裝及微納制造技術(shù)制備了高頻波導(dǎo)縫隙天線[41]，創(chuàng)新性地引入TGV 加工波導(dǎo)縫隙天線。首先采用激光誘導(dǎo)刻蝕制備波導(dǎo)縫隙陣列天線玻璃襯底，通過激光在玻璃上誘導(dǎo)產(chǎn)生連續(xù)的變性區(qū)，后將變性后玻璃在稀釋氫氟酸中進行刻蝕，由于激光作用處的玻璃在氫氟酸中刻蝕速率較快，所以玻璃會成塊脫落從而形成目標(biāo)通孔結(jié)構(gòu)。最終刻蝕后的玻璃通孔精度為±5 μm，遠遠高于傳統(tǒng)機加工的精度。其次，采用物理氣相沉積對每層波導(dǎo)縫隙陣列天線玻璃襯底濺射銅層，經(jīng)過氧等離子體清洗以徹底清除焊盤表面的有機物等顆粒，并使晶圓表面產(chǎn)生一定粗糙度，為種子層的良好附著創(chuàng)造條件。清洗后的晶圓在烤箱150 ℃下烘烤60 min 徹底去除水汽。然后在磁控濺射設(shè)備中，晶圓表面濺射一層厚度約為5 μm 的銅層。最后，采用金屬焊料鍵合技術(shù)將5片晶圓鍵合。用刮刀以及絲網(wǎng)將約10 μm 厚度的錫焊料印刷到晶圓表面，然后在鍵合機的真空腔室中以240 ℃的溫度加熱，以40 N 的壓力壓合5 min 使焊料融化或相互擴散以達到鍵合的目的。其工藝流程如圖28 所示。通過以上加工工藝得到的高能太赫茲天線如圖29 所示。

圖28 基于TGV 工藝的高能太赫茲天線加工步驟

圖29 基于TGV 工藝的高能太赫茲天線實物[41]

HWANGBO 等設(shè)計了一種緊湊、高功率高效的TGV-集成天線[42]，其原理如圖30 所示，并將其應(yīng)用于3D 系統(tǒng)封裝（SiP）中的V 波段（40～75 GHz）無線平面內(nèi)芯片到芯片（C2C）通信。其設(shè)計步驟如圖31 所示。首先在玻璃基板上制作TGV，并進行玻璃清洗。在基板干燥后，將30 nm 的鈦（Ti）濺射在玻璃基板的正面作為附著層，然后進行光刻膠干膜的壓膜和光刻，接著采用濺射法制備Ti/Cu/Ti(30 nm/2 μm/30 nm)金屬層作為傳輸線，對位于玻璃基板底部的圓盤濺射另一層Ti，并采用相類似的工藝沉積底部的Ti/Cu/Ti(30 nm/2 μm/30 nm)金屬層，最后完成去膠和種子層刻蝕。

圖30 TGV-集成天線原理[42]

圖31 TGV-集成天線的工藝流程[42]

5.5 多層玻璃基板

隨著5G 時代的到來，各種設(shè)備廠商對電子器件的性能提出了更高要求，這也推動著電子器件的封裝技術(shù)從傳統(tǒng)的2D 封裝往2.5D 甚至3D 的方向發(fā)展。然而2.5D 和3D 封裝都存在熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，2018 年IWAI 等使用導(dǎo)電膠填充玻璃通孔，從而實現(xiàn)多層玻璃基板堆疊，在回流過程中，通過該方案制作的多層玻璃基板的翹曲比傳統(tǒng)有機基板要小，通過該技術(shù)可以實現(xiàn)高密度布線，同時具有較高的可靠性[43]。2019 年，IWAI 等在多層玻璃基板技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了一個多芯片封裝的結(jié)構(gòu)[44]，其工藝流程如圖32所示。首先用激光誘導(dǎo)玻璃變性和濕法刻蝕技術(shù)在玻璃上形成TGV，并制作種子層；其次，使用半加法工藝制作布線圖案；再次，用激光在干燥的樹脂層壓膜上制作通孔并進行絲網(wǎng)印刷工藝；之后，將單層基片疊放在一起，然后用真空熱壓機將導(dǎo)電漿料和干膜熔化；最后將多個芯片對齊安裝。通過以上工藝制作的多芯片模塊如圖33 所示。

圖32 基于玻璃基板的多芯片模塊的制作工藝[44]

圖33 基于玻璃基板的多芯片模塊[44]

5.6 基于玻璃基板的硅光集成技術(shù)

玻璃轉(zhuǎn)接板除了應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，在光電領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。2010 年，IZM 聯(lián)合肖特公司發(fā)布了面板玻璃轉(zhuǎn)接板的制作樣品，并在上方集成了一個4通道的雙向光電收發(fā)模塊，單通道的傳輸速率為10 Gbit/s，功耗僅有592 mW[45]。2015 年，研究者第一次在光電基板（EOCB）上實現(xiàn)了對平面多模玻璃基波導(dǎo)和球形反光鏡的集成，為解決將來超級計算機和數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡(luò)的需求打下基礎(chǔ)[46]。圖34、35 分別為IZM 的應(yīng)用于光電領(lǐng)域的玻璃轉(zhuǎn)接板樣品以及EOCB 疊層設(shè)計示意圖。

圖34 IZM 光電領(lǐng)域的玻璃轉(zhuǎn)接板樣品[45]

圖35 EOCB 疊層設(shè)計示意圖[46]

6 結(jié)論

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件逐漸朝著高頻、大功率、小尺寸的方向發(fā)展。玻璃通孔互連技術(shù)具有突出的電學(xué)性能和良好的力學(xué)、光學(xué)性能，在先進封裝和無源器件制造等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，近年來得到了突破性的發(fā)展。本文綜述了國內(nèi)外TGV 成孔技術(shù)和進展，主要包括噴砂法、光敏玻璃法、聚焦放電法、等離子刻蝕、激光燒蝕、電化學(xué)放電法和激光誘導(dǎo)玻璃變性法，并對比了以上幾種技術(shù)的優(yōu)缺點；總結(jié)了幾種高可靠性通孔金屬填充技術(shù)以及高深寬比高密度布線技術(shù)；最后總結(jié)了玻璃通孔技術(shù)的應(yīng)用進展，說明玻璃通孔技術(shù)在2.5D/3D 封裝和高頻、高性能、低成本電子器件等重要領(lǐng)域上具有廣泛的應(yīng)用前景。