一文了解玻璃通孔(TGV)技術(shù)

在電子封裝領(lǐng)域，隨著對(duì)更高集成度、更小尺寸和更強(qiáng)性能的追求，玻璃基板已成為一種備受關(guān)注的材料。尤其是玻璃通孔（TGV）技術(shù)，憑借其優(yōu)越的電氣性能和熱穩(wěn)定性，逐漸成為高密度互連的關(guān)鍵解決方案。TGV技術(shù)通過在玻璃基板中精確打孔，提供了高效的垂直互連路徑，極大地提升了芯片封裝的集成度與性能。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展，TGV技術(shù)的應(yīng)用前景愈加廣闊。本文將為您介紹玻璃通孔（TGV）技術(shù)的各基礎(chǔ)原理及發(fā)展等。

對(duì)包括智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的小型化、多功能和連接設(shè)備的需求一直處于迅猛增長之中。這種小型化和功能性導(dǎo)致對(duì)高密度和高帶寬互連的需求增加。用于封裝的 2.5-D 和 3-D IC 集成方案是實(shí)現(xiàn)下一代性能要求和適用于商業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵組成部分。超高數(shù)量的 I/O 連接可利用中介層實(shí)現(xiàn)。

中介層

中介層是用于在一個(gè)連接和另一個(gè)連接之間進(jìn)行電接口路由的基板。中介層的用途是將連接擴(kuò)展到更寬的節(jié)距，或?qū)⑦B接重新路由到具有不同節(jié)距的另一個(gè)連接。中介層代表具有大量孔（過孔）的不同幅面的基板。按預(yù)期，2.5 D 中介層能夠以短互連長度、低功耗和低封裝成本實(shí)現(xiàn)高互連密度。對(duì)高互連密度的需求會(huì)產(chǎn)生對(duì)高密度過孔的需求。

中介層用于開發(fā)多個(gè) IC 在單個(gè)平臺(tái)/封裝上的異構(gòu)集成。中介層還可在封裝或電路板上實(shí)現(xiàn)密集 IC，尤其是涉及極小的 I/O 節(jié)距和線距時(shí)。高性能應(yīng)用要求當(dāng)前的這些中介層技術(shù)在極細(xì)節(jié)距下具有高 I/O、高尺寸穩(wěn)定性、極低的翹曲、高溫穩(wěn)定性和低CTE失配。 玻璃中介層 最突出和最廣泛使用的中介層類型之一是硅通孔——TSV 中介層。除了硅和有機(jī)材料，玻璃也被認(rèn)為是制造用于高性能應(yīng)用的中介層的合適材料。作為材料的玻璃和由其制造的玻璃中介層可實(shí)現(xiàn)出色的尺寸穩(wěn)定性、與硅片緊密匹配且可定制的熱膨脹系數(shù) (CTE)、高熱穩(wěn)定性以及高電阻率。 玻璃的成分可以改變——允許針對(duì)特定應(yīng)用定制玻璃特性。與硅相比，玻璃具有使其成為射頻元件的理想基板的諸多特性，例如：超高電阻率和低電損耗。這些特性使玻璃成為用于中介層的新興基板技術(shù)的尤具吸引力的候選者。

玻璃晶圓和玻璃面板幅面 此外，玻璃可以以晶圓形式以及面板幅面制造。包括超薄變體在內(nèi)的各種厚度均可實(shí)現(xiàn)。熔融成型工藝能夠形成大幅面（尺寸 >1 m）的高質(zhì)量基板。除了擴(kuò)大玻璃基板尺寸外，還可以提供厚度低至 ~100 μm 的超薄柔性玻璃。提供 100 μm 厚度的晶圓或面板幅面的大型基板為降低玻璃中介層的制造成本提供了重要機(jī)會(huì)。 玻璃中介層的一個(gè)成熟應(yīng)用領(lǐng)域是射頻封裝。它基于玻璃的特殊屬性，例如低電損耗，尤其是在高頻率下。由于相對(duì)較高的剛度和調(diào)整熱膨脹系數(shù)的能力，在管理玻璃芯基板和粘合疊層中的翹曲方面頗具優(yōu)勢。

晶圓級(jí)封裝是保證 MEMS 器件壽命和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。TSV 技術(shù)經(jīng)常被用于 MEMS 封裝。在使用玻璃制造傳感器作為蓋帽晶圓的情況下，可以利用玻璃通孔提供通過玻璃基板的垂直連接。利用整個(gè)玻璃面板或其中一部分的新型封裝基板正處于開發(fā)之中。這種類型的封裝基板已應(yīng)用于光子學(xué)封裝、高性能計(jì)算等領(lǐng)域。 用作芯片嵌入的基板時(shí)，玻璃可提供現(xiàn)有晶圓級(jí)扇出 (WLFO) 封裝技術(shù)不具備的諸多優(yōu)勢。得益于玻璃的光滑表面和高尺寸穩(wěn)定性，即使在大型面板上也能實(shí)現(xiàn)類硅再分布層 (RDL) 布線和類 BEOL I/O，將超高 I/O 和低成本的優(yōu)勢集于一身。玻璃的 CTE 可以定制，因而可以直接連接至電路板。與塑封料相比，玻璃還具有高電阻率、出色的防潮性和高表面光滑度。 玻璃通孔 (TGV) 玻璃中介層代表玻璃基板中具有大量孔，而這些孔反過來又通過玻璃基板提供垂直電連接。它們被稱為玻璃通孔 (TGV) 基板。在玻璃基板中制造的過孔可以是盲孔或通孔。過孔可以制造成不同的直徑和形狀。還有其他重要參數(shù)，例如過孔的縱橫比和錐角?？v橫比是過孔直徑與過孔深度的關(guān)系。錐角是定義過孔開口的角度。

制造玻璃通孔

形成通孔對(duì)于中介層至關(guān)重要。TGV 基板是結(jié)合激光和蝕刻技術(shù)制造的。激光對(duì)玻璃進(jìn)行改良，從而弱化預(yù)定義區(qū)域的結(jié)構(gòu)。它可以提高這些改良區(qū)域相比周圍材料的蝕刻率。這個(gè)過程被稱為激光誘導(dǎo)蝕刻。該過程不會(huì)在玻璃上產(chǎn)生任何裂縫，并可在材料中產(chǎn)生盲孔和通孔。先進(jìn)的激光加工和蝕刻技術(shù)能夠建立非常高的縱橫比。典型的過孔直徑為 20 - 100 微米，典型的縱橫比為 1:4 - 1:10。

錐角

高性能計(jì)算、第五代 (5G) 通信和物聯(lián)網(wǎng) (IOT) 應(yīng)用對(duì)帶寬日益增加的需求推動(dòng)了向 2.5D 和 3D 中介層的遷移，這需要更少的高頻損耗和更高的孔深/尺寸比來實(shí)現(xiàn)垂直互連，進(jìn)而需要高縱橫比的 TGV。此外還需要大量緊密定位的過孔——高密度過孔。為了在同一區(qū)域獲得高密度的過孔，要求每個(gè)過孔占用極小的空間。這種要求會(huì)導(dǎo)致需要較小的錐角，因此以較大的錐角為特征的大開口過孔變得不利。

為了獲得高縱橫比的孔，需要高選擇性的蝕刻工藝。在某些情況下——取決于玻璃的選擇——用酸蝕刻就已足夠。但在許多其他情況下，酸性蝕刻的結(jié)果并不符合要求，因?yàn)槲g刻速度非?？?。這會(huì)導(dǎo)致工藝選擇性低，無法實(shí)現(xiàn)高縱橫比，造成更大的錐角。