基于TGV工藝的三維集成封裝技術研究

謝 迪，李 浩，王從香，崔 凱，胡永芳

（南京電子技術研究所，南京 210039）

1 引言

三維集成封裝以其優異的綜合性能滿足了先進封裝市場對電子封裝產品微型化、高度集成化、多功能化的迫切發展需求，三維集成封裝近年來成為先進封裝的主要發展方向。大多數三維集成采用硅作為襯底，近年來美國佐治亞理工大學等研究機構采用玻璃作為襯底實現三維集成，基于玻璃通孔制造的三維互連（Through Glass Via，TGV）技術[1]由于其高密度互連和低損耗傳輸特性的優勢使三維集成和系統級封裝技術得到了迅速發展，通過采用TGV技術，利用新設計、新器件以及新工藝可以構建小型化、一體化的三維射頻微系統，在I/O密度更高、節距更小的芯片與基板之間形成高可靠的互連，實現片上無源器件、高密度銅互連及芯片的異構集成。

玻璃基板材料中沒有自由移動的電荷，介電性能優良，高頻損耗低、傳輸特性好，適用于高頻應用，TGV技術無需制作絕緣層，降低了工藝復雜度和加工成本，玻璃基板及TGV相關技術在光通信、射頻、微波、微機電系統、微流體器件和三維集成領域有著廣泛的應用前景[2]。然而，TGV工藝中的玻璃基板高精度打孔技術、減薄拋光工藝、RDL金屬層/介質層多層布線等關鍵技術是TGV技術工程化的基礎。基于此，本文針對高純石英玻璃基板，設計合理工藝流程，制備了不同孔徑的通孔結構，孔徑范圍30～190μm，深寬比范圍1.6∶1～10∶1，在深寬比不超過6∶1的情況下，TGV孔金屬化良好，通過三維封裝基板電性能測試，對TGV基板垂直互連進行了驗證。

2 試驗

2.1 試驗材料

文中采用的玻璃基板為康寧公司的石英玻璃基板（型號為HPFS 7980），尺寸為50.8 mm×50.8 mm×0.33 mm，總厚度變化（Total Thickniss Variation，TTV）不大于10μm，輪廓算術平均偏差Ra≤5 nm，厚度一致性良好、表面光潔度高。這種基板為熔融石英基板，SiO2含量在99.999%以上，僅含有微量的金屬離子，屬于良好的絕緣體，其介電常數低，損耗因子在各頻段都很小，其電氣和機械性能優異，是理想的微波介質基板材料。表1給出了石英基板具體的力學、電學、熱學性能。

表1 石英基板性能

2.2 工藝過程

本文所需制備的TGV特征尺寸為孔徑50μm、深寬比6∶1，深寬比大、精度要求高，為實現石英玻璃基板的精密打孔、RDL金屬/介質多層布線，結合激光加工、薄膜工藝在微細加工技術領域的優勢，合理設計了工藝流程圖，如圖1所示。

圖1 基于石英基板的TGV工藝路線

2.2.1 TGV通孔加工

本文采用通過激光加工與刻蝕相結合的方法，快速在玻璃基片上進行通孔加工，成孔精度高、加工效率高[3]，首先在需要制造TGV通孔的位置進行激光誘導改性，然后通過濕法刻蝕將改性處的玻璃材料刻蝕掉，形成TGV通孔陣列。

2.2.2減薄拋光

由于濕法刻蝕除了會腐蝕孔內玻璃材料外還會對玻璃表面造成一定損傷，需要對玻璃基板表面進行減薄、拋光處理，為后續玻璃基板RDL工藝奠定基礎。

2.2.3多層布線

通過濕法清洗、磁控濺射、光刻、圖形電鍍等工藝在帶有TGV通孔的玻璃基板上實現表面、孔壁金屬化，通過BCB光刻工藝在玻璃基板對應位置形成介質層，實現具有金屬/介質的多層電路互連功能的RDL結構。

2.2.4劃片

完成電路制備后，需要通過切割劃片的方式將TGV基板分割為具有特定尺寸的結構單元。

2.3 測試分析方法

利用日立3400N掃描電鏡分析材料的表面形貌，采用SENSOFAR Sneox光學共聚焦顯微鏡測試基板表面形貌和粗糙度，采用Dage4000拉力測試儀測試表面金屬層的鍵合拉力，采用矢量網絡分析儀測試玻璃基封裝基板的傳輸性能。

3 實驗結果與分析

3.1 TGV通孔加工與通孔率優化

玻璃基板制造TGV在成本、工藝流程上與硅基TSV技術相比有一定競爭力，但玻璃基板刻蝕深孔工藝難度較大，常用玻璃基板打孔加工方法包括機械加工、刻蝕加工、激光加工3類。根據加工方法的不同，玻璃基板打孔的特征尺寸（深寬比、孔徑、節距）差異很大，三維集成領域中的TGV陣列較密集，孔徑節距小、深寬比大，機械加工領域中的超聲鉆孔、噴丸鉆孔等方式難以實現高精度、高效加工的需求。濕法刻蝕成本低廉，但加工精度和加工深度受限；干法刻蝕雖然可以得到表面平整的高深寬比結構，但其加工成本高、速度慢，且石英的深刻蝕設備還不夠成熟。激光刻蝕是目前業內制造TGV深孔最常用的工藝方法[4]，但激光加工會在孔邊緣帶來飛濺和一定的熱影響（玻璃一般熱導率低于2 W/（m·K）），破壞了玻璃基板的機械強度。綜上，單一加工方法難以實現玻璃基片高深寬比、高精度、快速加工的需求，需依據玻璃基板特點制定相應的工藝方案。近年來，玻璃回流、光敏玻璃曝光顯影、激光與刻蝕相結合的新型加工技術成為TGV加工的研究方向。

本文采用激光誘導刻蝕技術（Laser Induced Deep Etching）加工TGV通孔，通過將激光加工與刻蝕結合起來，能快速在玻璃基片上進行通孔加工，成孔精度高、加工效率高。激光誘導改性首先通過激光對石英玻璃進行改性處理，利用多焦點式激光、短脈寬激光，激光波長1064 nm，對需要打孔的部位進行掃描，形成改性區域，如圖2所示，然后采用濕法刻蝕方式將激光改性區域刻蝕為具有一定深寬比的TGV通孔。利用氫氟酸（HF）作為石英濕法刻蝕的腐蝕液，石英濕法刻蝕的化學方程式如下：

圖2 激光改性、濕法刻蝕示意圖

在實際加工過程中，濕法刻蝕的精度較差，石英基板上TGV陣列通孔存在一定數量孔不通的問題，如圖3（a）所示。為提高濕法刻蝕的速率、均勻性，需要調整氫氟酸溶液濃度和使用條件。

經優化試驗，在原20%氫氟酸溶液中加入5%NH4F添加劑并采用水浴加熱40℃的方式能有效提高濕法刻蝕的刻蝕速率和均勻性，能實現TGV通孔批量加工，通孔率由此前的30%以下提高到99%以上，如圖3（b）所示。通過對激光加工后的石英基片進行濕法刻蝕，刻蝕后用去離子水進行超聲清洗，清洗掉殘余在孔壁上的氫氟酸。

圖3 濕法刻蝕后的TGV通孔樣件

3.2 石英基板表面處理

由于濕法刻蝕存在一定的不均勻性，石英基板局部區域TGV孔邊緣存在一定損傷、基板表面存在一定“過刻蝕”現象，如圖4（a）所示，對“過刻蝕”現象進行進一步觀察，可以發現，基板表面局部區域存在深度10μm左右的腐蝕，如圖4（b）所示，局部孔徑處有5～10μm的破損，如圖4（c）所示。出現這種微觀缺陷的原因一方面可能是材料純度、組織局部不均一，另一方面是濕法刻蝕溶液在與基板反應過程中局部濃度變化導致刻蝕速度較大，對基板造成了一定損傷。以上微觀缺陷會影響后道TGV金屬化的互連通斷及可靠性，因此，需要通過減薄、拋光等表面處理工藝提高基板表面質量，恢復石英基板均一、無微觀缺陷的表面狀態。

圖4 濕法刻蝕后TGV通孔樣件局部缺陷

基于以上分析，本文采用減薄、拋光工藝對石英基板表面進行處理。減薄砂輪采用金剛石/立方氮化硼材料，硬度高、尺寸穩定性好，在設備進給精度保證的前提下，能實現±1μm的加工，減薄工藝方面能去除前道濕法刻蝕的微觀缺陷，還能降低石英基板厚度到需要的設計厚度，減薄后的石英基板厚度為0.305 mm，粗糙度Ra范圍為150～200 nm，基板減薄形貌如圖5（a）所示，呈現典型的磨削“犁溝”痕跡，微觀起伏大，存在明顯劃痕，基板表面需進一步處理。

圖5 減薄、拋光后石英基板微觀形貌

拋光采用化學機械拋光（CMP）方式進行，拋光墊為多孔聚氨酯拋光墊，拋光液為SiO2拋光液，磨料粒徑較細（納米量級），利用堿性SiO2膠體拋光具有典型的CMP特點對基板表面進行微量拋光，SiO2磨料的Zeta電位為-56.4 mV，固體磨料粒子懸浮液的分散性和流動性較好，能有效去除石英玻璃表面形成的鈍化膜，同時通過機械作用切斷石英玻璃表面的Si-O-Si鍵[5]，石英基板拋光的材料去除率不超過50 nm/min，主要是由于SiO2硬度低、粒徑小，而且硅溶膠易發生凝膠化現象，在整個拋光過程中，化學反應和機械摩擦兩種作用交替、循環進行，對石英基板進行微量、精密表面加工，拋光后的石英基板厚度范圍在0.295～0.300 mm，粗糙度Ra范圍在5～10 nm，已接近石英基板TGV工藝前的來料狀態，如圖5所示呈現典型的光學干涉條紋，具有良好的表面質量。

3.3 孔金屬化及RDL附著力優化

在完成高深寬比TGV通孔加工后，為了具備良好的垂直互連性能，本文采用薄膜工藝對TGV通孔進行孔金屬化及RDL布線，薄膜工藝（Ti-Cu-Au膜層體系）涉及種子層濺射、光刻、圖形電鍍、濕法腐蝕等工序，對TGV結構有一定要求。基板厚度一定的條件下，TGV孔徑越小，深寬比越大，孔金屬化難度越大。如圖6所示為不同孔徑金屬化的效果，可以看出當孔徑減小至40μm時，孔金屬化出現明顯斷路，此時深寬比為7.5∶1，孔徑進一步縮小，當孔徑為30μm時，深寬比為10∶1，孔內金屬斷路面積進一步擴大，僅孔口部分實現了金屬鍍覆；而孔徑大于等于50μm時，深寬比不超過6∶1時，孔內金屬鍍覆完整，孔金屬化良好，實現TGV垂直互連，分析其原因是深寬比過大，受磁控濺射設備填孔能力限制，孔內側壁無法形成連續致密的種子層，孔內TiW、Cu金屬膜層覆蓋率低，后續電鍍無法在孔內形成連續Au層，該問題尤其表現在孔中間部位，在濕法腐蝕去除種子層的過程中，TiW、Cu腐蝕液會從Au層不連續區域形成“側蝕”效應，進一步破壞孔內金屬膜層，產生斷路。

圖6 不同深寬比孔金屬化剖面圖

進一步對孔內形貌進行表征與分析，如圖7所示，經激光誘導刻蝕制備的TGV通孔內壁表面粗糙度為0.1μm，孔內微觀起伏在0.25μm范圍，微觀形貌無裂紋、碎屑、毛刺等缺陷；經薄膜工藝孔金屬化后，受沉積金屬層晶粒影響，孔內金屬層表面粗糙度為0.3μm，微觀起伏在0.8μm，金屬層連續、致密，無針孔、裂紋等微觀缺陷，綜上所述，合理的TGV深寬比、通孔內壁粗糙度較低是TGV孔金屬化完整的前提。

圖7 孔內形貌及微觀起伏

為提高金屬層與石英基板間膜層的附著力，在進行金屬化工藝前需要對石英基板進行前處理。需要注意的是，石英基板表面是很“光滑”的，而且石英材料化學性質穩定，不容易與常規清洗溶液發生活化反應，因此石英基板的表面能很低，相對于硅基、陶瓷基板而言石英基板表面可認為是“惰性”的。經堿性除油、鹽酸和雙氧水溶液的前處理后，制備的金屬RDL導體層存在附著力不牢靠的現象，如圖8（a）所示，膜層剝落。

本文結合石英玻璃材料特性及TGV前后道工藝的特點[6-7]，制定除油、微蝕的前處理方案，具體采用丙酮除油去除有機沾污、利用鉻酸氧化效應去除基板表面微觀顆粒、10%氫氟酸浸泡微蝕基板的前處理工藝，再經薄膜工藝制備的導體層如圖8（b）所示，膜層附著良好。為定量考核膜層鍵合性能，采用Φ25μm、EL1-2.5%金絲在金屬層表面進行鍵合，然后利用Dage4000拉力測試議，依據GJB 548B-2005規定進行破壞性拉力測試，測試結果如表2所示。

圖8 金屬層布線樣件

表2 RDL金屬層鍵合拉力測試

玻璃基片制備的薄膜電路樣品均滿足金絲鍵合要求（最小值＞5.0 gf、平均值＞7.5 gf），斷裂失效模式為線弧中間、第一焊點頸部，未出現膜層剝落現象，說明優化后的前處理方式提高了石英基板表面金屬層的附著力，滿足金絲鍵合的使用要求。

4 TGV封裝基板制備與測試

采用上述TGV工藝制備TGV三維封裝基板，TGV孔徑50μm、孔深300μm，RDL含有2層BCB介質層、3層金屬布線層（背面接地層），最小線寬/線距為20μm/20μm，此外制作了石英基微波傳輸線，如圖9所示。

圖9 TGV封裝基板與傳輸線樣件

如圖10所示，通過測試結果可以看出S11的仿真與測試結果趨勢一致，S12在1～1.2 GHz的地方出現-2 dB的損耗，原因可能是金絲鍵合之后接負載端口阻抗不匹配，但是仿真與測試總體仍在誤差區間內。因此，通過TGV工藝在石英玻璃基板上制備三維封裝基板，驗證在2～18 GHz電性能與仿真結果總體一致，實現了信號垂直互連與傳輸。此外在石英基板上制作微波傳輸線，通過矢量網絡測試儀測試傳輸線的插入損耗，結果表明，掃頻范圍在10 MHz～40 GHz范圍內，微波傳輸線1mm單位長度插入損耗小于-0.05dB，在24 GHz頻率、1 mm單位長度插入損耗為-0.02 dB，說明基于石英基板的TGV封裝技術更適合高頻高速場合的應用。

圖10 互連測試結果

5 結論

石英基板作為重要的封裝基板材料，在高頻高密度集成領域有著廣闊的應用前景。本文通過研究基于石英基板的TGV加工制備工藝方法，結合激光加工與濕法刻蝕的特點，實現了深寬比10∶1的通孔加工，避免了單一激光加工帶來的孔邊緣飛濺與熱影響問題，同時克服了單一濕法刻蝕加工精度與深度不足的問題，在石英封裝基板上制備了不同深寬比的TGV互連結構；深寬比不超過6∶1時，孔內金屬層連續、致密，為不同孔徑、不同深寬比TGV的可靠互連提供了參考，RDL金屬層拉力測試均值達到18.24 gf，滿足鍵合微組裝使用要求。通過制備基于TGV的三維封裝基板測試了TGV結構的可靠互連，微波傳輸線在40 GHz頻率范圍內的單位長度插入損耗不超過-0.05 dB，信號傳輸損耗小，證明基于石英基板的TGV技術在高頻高速應用領域有明顯優勢。