玻璃通孔技術(shù)研究進(jìn)展

陳力 楊曉鋒 于大全

（廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廈門(mén)云天半導(dǎo)體科技有限公司）

摘要：

近年來(lái)，隨著5G、可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、汽車(chē)電子、人工智能等新興領(lǐng)域蓬勃興起，集成電路應(yīng)用正向著多元化應(yīng)用方向發(fā)展，先進(jìn)三維封裝技術(shù)也逐漸成為實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品小型化、輕質(zhì)化、多功能化的重要手段。玻璃通孔(TGV)互連技術(shù)具有高頻電學(xué)特性?xún)?yōu)異、成本低、工藝流程簡(jiǎn)單、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在射頻器件、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝、光電系統(tǒng)集成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。綜述了國(guó)內(nèi)外高密度玻璃通孔制作、金屬填充、表面高密度布線(xiàn)的研究進(jìn)展，對(duì)玻璃通孔技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

1引言

隨著智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子、高性能計(jì)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(duì)先進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。但硅基轉(zhuǎn)接板存在兩個(gè)主要問(wèn)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(xiàn)在傳輸信號(hào)時(shí)，信號(hào)與襯底材料有較強(qiáng)的電磁耦合效應(yīng)，襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，造成信號(hào)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(shì)正在成為國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體企業(yè)和科研院所的研究熱點(diǎn)[2-5]。

與硅基轉(zhuǎn)接板相比，玻璃轉(zhuǎn)接板的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(hào)的完整性；3）大尺寸超薄玻璃襯底易于獲?。嚎祵帯⑿裣踝右约靶ぬ氐炔Ａ?a target="_blank">廠商可以量產(chǎn)超大尺寸（大于2 m×2 m）和超?。ㄐ∮?0 μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；4）工藝流程簡(jiǎn)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(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)：當(dāng)轉(zhuǎn)接板厚度小于100 μm時(shí)，翹曲依然較?。?）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(diǎn)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(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，大批科研人員針對(duì)TGV玻璃轉(zhuǎn)接板開(kāi)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(xiàn)，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(duì)TGV成孔技術(shù)、TGV金屬填充技術(shù)、TGV高密度布線(xiàn)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)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(mǎn)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(lái)，許多研究工作都在致力于研發(fā)低成本、快速可規(guī)?；慨a(chǎn)的成孔技術(shù)。下面將簡(jiǎn)要介紹近年來(lái)常用的玻璃通孔成孔技術(shù)，同時(shí)分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

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(duì)玻璃晶片進(jìn)行蝕刻[9-11]?？紤]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(jìn)行蝕刻。在兩次噴砂蝕刻過(guò)程中，必須保證對(duì)中形成完整的通孔。通過(guò)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(huì)對(duì)玻璃表面以及孔的側(cè)壁造成封裝系統(tǒng)無(wú)法接受的損傷。

2.2光敏玻璃法

通過(guò)紫外線(xiàn)照射定義圖形，光敏玻璃中摻雜有一定濃度的三價(jià)鈰離子（Ce 3+）和銀離子（Ag +），經(jīng)過(guò)一定波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)曝光后，三價(jià)鈰離子釋放一個(gè)電子變成四價(jià)的鈰離子（Ce 4+），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(guò)后續(xù)的高溫?zé)Y(jié)工藝，經(jīng)過(guò)紫外光照射的區(qū)域材料屬性轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾刹牧?，最后通過(guò)氫氟酸腐蝕去除陶瓷材料。詳細(xì)工藝流程如圖2所示?；诠饷舨ＡУ腡GV制作方法，其優(yōu)勢(shì)在于采用高刻蝕速率的濕法腐蝕實(shí)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(gè)問(wèn)題：1)價(jià)格昂貴，包括光敏玻璃本身的材料價(jià)格和工藝制程價(jià)格；2)對(duì)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(huì)造成圖形定義精度差別較大[12-13]；同時(shí)，由于需要高溫處理，會(huì)造成玻璃在半固化狀態(tài)下移動(dòng)，造成結(jié)構(gòu)偏移。

2.3聚焦放電法

聚焦放電主要包括兩個(gè)步驟：1)將玻璃放在兩個(gè)電極之間，通過(guò)控制放電對(duì)玻璃局部區(qū)域進(jìn)行放電熔融；2)通過(guò)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(shí)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(lèi)型的玻璃，如石英、鈉鈣玻璃、無(wú)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(méi)有裂紋的高密度通孔；但是從玻璃通孔的切片結(jié)果來(lái)看，通孔的形狀不是很垂直。

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(guò)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(jiǎn)要步驟如圖6所示。

等離子體法刻蝕TGV可以并行進(jìn)行，同時(shí)進(jìn)行大面積TGV刻蝕，且側(cè)壁粗糙度小（<150 nm），側(cè)壁無(wú)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(diǎn)。截至目前，阻礙干法刻蝕成孔大范圍應(yīng)用的的難點(diǎn)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CO 2激光器等。喬治亞理工學(xué)院研究人員分別采用CO 2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]。CO 2激光屬于“熱激光”，其通過(guò)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(wèn)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(méi)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。

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(guò)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(gè)堿性電解質(zhì)溶液（氫氧化鉀、氫氧化鈉等）和兩個(gè)電極組成，工具電極和對(duì)電極分別連接到電源的正、負(fù)端子上。當(dāng)兩個(gè)電極之間施加電位差時(shí)，在工具電極周?chē)捎跉馀莸木劢Y(jié)而形成一層薄薄的氫氣膜，該氣體膜將工具電極與周?chē)碾娊庖和耆綦x。當(dāng)電位差進(jìn)一步增大時(shí)，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(jiǎn)單，且對(duì)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(kāi)口大于下開(kāi)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。

2.7激光誘導(dǎo)刻蝕法

通過(guò)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(guó)LPKF公司率先用該技術(shù)實(shí)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(guò)的玻璃放到氫氟酸溶液中進(jìn)行刻蝕。國(guó)內(nèi)，廈門(mén)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(shí)現(xiàn)了低成本、高效率、高均勻性玻璃通孔/盲孔制作[21]，其簡(jiǎn)要步驟如圖10所示。

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(diǎn)如下：1)成孔質(zhì)量均勻，一致性好，無(wú)裂紋；2)成孔速率快，可達(dá)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(guò)調(diào)節(jié)激光參數(shù)來(lái)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(shì)，有大規(guī)模應(yīng)用前景。

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(kuò)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(diǎn)之一，已報(bào)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(diǎn)，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(gè)技術(shù)難點(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)、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。

3.1 TGV金屬實(shí)孔填充

類(lèi)似硅通孔的金屬填充方案可以應(yīng)用在TGV金屬填充中。首先，制作TGV盲孔；其次，通過(guò)物理氣相沉積（PVD）的方法在TGV盲孔內(nèi)部沉積種子層；再次，自底向上電鍍，實(shí)現(xiàn)TGV的無(wú)縫填充；最后，通過(guò)臨時(shí)鍵合，背面研磨、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）露銅，解鍵合，形成TGV金屬填實(shí)轉(zhuǎn)接板[22-24]。圖12為采用上述TGV填孔方案的工藝流程，包括：玻璃盲孔制備，TGV銅填實(shí)，銅覆蓋層去除過(guò)程，頂部重布線(xiàn)層(RDL)(TR1)過(guò)程，臨時(shí)鍵合，研磨減薄露銅，底部RDL(BR1)制備，解鍵合等工藝過(guò)程。

另外一個(gè)將TGV填實(shí)的方案是使用金屬導(dǎo)電膠進(jìn)行TGV填實(shí)[17]。利用金屬導(dǎo)電膠的優(yōu)點(diǎn)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(guò)對(duì)銅導(dǎo)電膠填充工藝的優(yōu)化，實(shí)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·m 2 ) -1。該方法工藝簡(jiǎn)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。

3.2 TGV孔內(nèi)電鍍薄層

除TGV電鍍填實(shí)外，TGV也可采用通孔內(nèi)電鍍薄層方案實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接。研究表明，在電性能方面，薄層電鍍與實(shí)心電鍍的插入損耗差別較小。采用薄層電鍍方案的優(yōu)勢(shì)是在保證電學(xué)性能的同時(shí)可以有效減小電鍍時(shí)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(jìn)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(lèi) （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(duì)比實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了劃痕測(cè)試。研究表明，在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，50 nm的TiW在粗糙度為4.4 nm的玻璃襯底上黏附性最強(qiáng)[23]。

但是，對(duì)于高深寬比通孔來(lái)說(shuō)，物理氣相沉積的設(shè)備和工藝過(guò)于昂貴。因此，近年來(lái)研發(fā)人員在開(kāi)發(fā)采用化鍍Cu種子層的低成本TGV填充方案，然后再通過(guò)半加成法（SAP）在光刻膠圖形上電鍍出Cu線(xiàn)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(lái)提高結(jié)合力。美國(guó)安美特公司報(bào)道了金屬氧化物黏附增強(qiáng)方法[25-26]，通過(guò)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(shí)，Cu與玻璃之間的剝離強(qiáng)度達(dá)到6 N/cm以上。但是，截至目前通過(guò)黏附層提高結(jié)合力的機(jī)理尚不清楚，可能原因是由于黏附層納米尺度的機(jī)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(qiáng)玻璃襯底機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，可以作為表面RDL的黏附層，增強(qiáng)抗剝離強(qiáng)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(wèn)題是增加了工藝，表面聚合物膜需要通過(guò)激光或干法刻蝕，而且由于孔內(nèi)沒(méi)有聚合物涂敷，在可靠性方面可能存在失效風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，ONITAKE等開(kāi)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(jī)化合物的光敏氧化作用去除黏附在材料表面的有機(jī)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(guò)清洗后的材料表面可以達(dá)到原子級(jí)清潔度。測(cè)試結(jié)果顯示Cu與玻璃之間的剝離強(qiáng)度為3.5 N/cm。

4玻璃通孔高密度布線(xiàn)

4.1線(xiàn)路轉(zhuǎn)移（CTT）和光敏介質(zhì)嵌入（PTE）

相對(duì)于有機(jī)襯底而言，玻璃表面的粗糙度小，所以在玻璃上可以進(jìn)行高密度布線(xiàn)。佐治亞理工對(duì)玻璃轉(zhuǎn)接板高密度布線(xiàn)做了很多研究。由于半加成工藝法在線(xiàn)寬小于5 μm的時(shí)候會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，例如在窄間距內(nèi)刻蝕種子層容易對(duì)銅走線(xiàn)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(kāi)發(fā)了CTT和PTE技術(shù)[30]。CTT主要包括兩個(gè)過(guò)程。1)精細(xì)RDL線(xiàn)預(yù)制。每一RDL層可以在可移動(dòng)載體上單獨(dú)制造一層薄導(dǎo)電層，并在轉(zhuǎn)移到基板上之前測(cè)試或檢查細(xì)線(xiàn)成品率。精細(xì)線(xiàn)路的形成采用細(xì)線(xiàn)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(lái)后，它們?cè)谑褂脽釅汉系耐瑫r(shí)被轉(zhuǎn)移到核心層的兩邊，該步驟如圖16(b)所示。

PTE工藝可分為兩個(gè)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(jī)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(xiàn)路。如圖18所示，劉富漢等使用CTT和PTE兩種方法分別達(dá)到了RDL 1.5 μm和2 μm的線(xiàn)寬線(xiàn)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(shí)現(xiàn)了面板級(jí)光刻后1.5~5 μm的線(xiàn)條溝槽制備，并提出改進(jìn)式半加成工藝法（SAP）達(dá)到了5 μm以下低成本的線(xiàn)寬制作工藝[31]，即用旋轉(zhuǎn)金剛刀取代昂貴的CMP對(duì)層間RDL表面平坦化，進(jìn)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(jìn)行壓膜，然后通過(guò)顯影制作通孔并暴露出第一層RDL的銅焊盤(pán)，接著進(jìn)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(jìn)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(jìn)行表面平坦化，最后去除光刻薄膜并完成種子層刻蝕。通過(guò)上述工藝得到的多層RDL堆疊結(jié)果如圖20所示。

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(duì)玻璃通孔轉(zhuǎn)接板的幾個(gè)典型應(yīng)用進(jìn)行綜述。

5.1玻璃基板的三維集成無(wú)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(wú)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(jì)與制作，并與相同的硅基電感對(duì)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(tuán)（ASE）的研究人員在玻璃基板上實(shí)現(xiàn)了面板級(jí)的IPD制作工藝，通過(guò)該工藝，成功在408 mm×512 mm的長(zhǎng)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?xún)?nèi)，并且無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)剝落/分層現(xiàn)象[33]，該方案進(jìn)一步降低了IPD制作的成本。

2017年ASE的LEE等采用玻璃通孔制作3D電感，并利用晶圓級(jí)集成工藝的優(yōu)勢(shì)，將射頻ASIC模塊與玻璃IPD模塊集成，形成晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP）[34]。該工藝從TGV金屬化和充填工藝開(kāi)始，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的晶圓級(jí)IPD工藝來(lái)完成前端結(jié)構(gòu)。正面結(jié)構(gòu)由電容器、RDL和凸點(diǎn)下金屬（UBM）組成，然后將晶圓送到裝配工廠進(jìn)行晶圓級(jí)裝配。裝配完成后，再經(jīng)過(guò)背面加工，形成3D電感和焊球焊盤(pán)。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。

5.2嵌入式玻璃扇出與集成天線(xiàn)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(jìn)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(shí)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(gè)芯片的扇出封裝，并有效控制芯片偏移和翹曲[35]。2020年廈門(mén)云天半導(dǎo)體科技公司采用嵌入式玻璃扇出技術(shù)開(kāi)發(fā)了77 GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)芯片的封裝，并在此基礎(chǔ)上提出了一種高電性能的天線(xiàn)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(guò)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(shí)保護(hù)芯片的背面。對(duì)晶圓的頂面進(jìn)行剝離，形成銅RDL，最后進(jìn)行后續(xù)線(xiàn)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。

2020年喬治亞理工的TUMMALA等首次在100 μm的玻璃基板上實(shí)現(xiàn)了在n257頻段(26.5~29.5 GHz)的芯片嵌入毫米波天線(xiàn)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(xiàn)路制作，從而得到應(yīng)用于n257頻段的毫米波天線(xiàn)[37]；相比于倒裝芯片嵌入技術(shù)，該方案具有更低的信號(hào)損耗。

5.3基于玻璃通孔的微機(jī)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(shì)，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(shí)現(xiàn)射頻MEMS器件的晶圓級(jí)封裝，采用電鍍方案實(shí)現(xiàn)通孔的完全填充，通過(guò)該方案制作的射頻MEMS器件在20 GHz時(shí)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?xún)?nèi)具有穩(wěn)定的射頻性能[38]。2016年，廈門(mén)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(jí)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)MEMS加速計(jì)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(lái)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。

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

5.4基于TGV工藝的集成天線(xiàn)

廈門(mén)大學(xué)的張淼等基于先進(jìn)封裝及微納制造技術(shù)制備了高頻波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)[41]，創(chuàng)新性地引入TGV加工波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)。首先采用激光誘導(dǎo)刻蝕制備波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)玻璃襯底，通過(guò)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(jìn)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(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)加工的精度。其次，采用物理氣相沉積對(duì)每層波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)玻璃襯底濺射銅層，經(jīng)過(guò)氧等離子體清洗以徹底清除焊盤(pán)表面的有機(jī)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(jī)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(kuò)散以達(dá)到鍵合的目的。其工藝流程如圖28所示。通過(guò)以上加工工藝得到的高能太赫茲天線(xiàn)如圖29所示。

HWANGBO等設(shè)計(jì)了一種緊湊、高功率高效的TGV-集成天線(xiàn)[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(wú)線(xiàn)平面內(nèi)芯片到芯片（C2C）通信。其設(shè)計(jì)步驟如圖31所示。首先在玻璃基板上制作TGV，并進(jìn)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(jìn)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(xiàn)，對(duì)位于玻璃基板底部的圓盤(pán)濺射另一層Ti，并采用相類(lèi)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。

5.5多層玻璃基板

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，各種設(shè)備廠商對(duì)電子器件的性能提出了更高要求，這也推動(dòng)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(wèn)題，2018年IWAI等使用導(dǎo)電膠填充玻璃通孔，從而實(shí)現(xiàn)多層玻璃基板堆疊，在回流過(guò)程中，通過(guò)該方案制作的多層玻璃基板的翹曲比傳統(tǒng)有機(jī)基板要小，通過(guò)該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高密度布線(xiàn)，同時(shí)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(gè)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(xiàn)圖案；再次，用激光在干燥的樹(shù)脂層壓膜上制作通孔并進(jìn)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(jī)將導(dǎo)電漿料和干膜熔化；最后將多個(gè)芯片對(duì)齊安裝。通過(guò)以上工藝制作的多芯片模塊如圖33所示。

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(gè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)平面多模玻璃基波導(dǎo)和球形反光鏡的集成，為解決將來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)示意圖。

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(jìn)封裝和無(wú)源器件制造等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，近年來(lái)得到了突破性的發(fā)展。本文綜述了國(guó)內(nèi)外TGV成孔技術(shù)和進(jìn)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(duì)比了以上幾種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)；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(xiàn)技術(shù)；最后總結(jié)了玻璃通孔技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，說(shuō)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。

審核編輯：黃飛