TGV技術(shù)中成孔和填孔工藝新進(jìn)展

上期介紹了TGV技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，今天小編繼續(xù)為大家介紹TGV關(guān)鍵技術(shù)新進(jìn)展。TGV工藝流程中，成孔技術(shù)，填充工藝為兩大核心難度較高。

成孔技術(shù)

TGV成孔技術(shù)需兼顧成本、速度及質(zhì)量要求，制約著TGV技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的積累，業(yè)界及學(xué)界許多研究工作都致力于研發(fā)低成本、快速可規(guī)?；慨a(chǎn)的成孔技術(shù)，追求高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)壁光滑、垂直度好的TGV質(zhì)量目標(biāo)。TGV通孔的制備方法包括噴砂、機(jī)械鉆孔、干法刻蝕、濕法腐蝕、聚焦放電等，目前，激光誘導(dǎo)刻蝕法具有高速度、無(wú)需掩膜等優(yōu)點(diǎn)，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)主流。

1）磨料噴射加工(AJM)

AJM利用磨料噴流對(duì)玻璃基板表面進(jìn)行處理，玻璃材料因脆性侵蝕產(chǎn)生裂紋和碎片，最終形成特定的孔狀形狀。AJM工藝通常使用Al2O3、石榴石、SiC或金剛石顆粒等磨料，用于加工大尺寸、高厚度的多種基材，如金屬、玻璃、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料，能夠制備盲孔和通孔，成孔過(guò)程中需要在玻璃基板表面上沉積抗磨料顆粒的金屬或聚合物保護(hù)未加工區(qū)域。AJM是一種非熱加工方法不影響材料性能，可在無(wú)塵環(huán)境中使用，包括磨料漿噴射、磨料水噴射和磨料空氣噴射工藝，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、電子器件、微流體通道和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。

AJM在玻璃切割和鉆孔領(lǐng)域的研究相對(duì)成熟，沖擊角、噴射壓力、噴嘴距離、噴嘴內(nèi)徑和磨料在噴射中的質(zhì)量百分比是主要的工藝參數(shù)，目前Al2O3是主要的磨料，粒徑從5μm到100μm不等，磨料越小TGV內(nèi)粗糙度越小，通常AJM在空氣環(huán)境中成孔速度為0.1μm/s~32μm/s，在漿液環(huán)境中成孔速度為0.6μm/s~4.4μm /s，單面成孔形態(tài)為錐形孔，正反面對(duì)稱加工成孔形態(tài)為雙錐形通孔，更適合處理大尺寸、厚玻璃基板中的低視角比的TGV。

2）電化學(xué)放電加工(ECDM)

ECDM是一種利用火花放電產(chǎn)生的高溫和沖擊使熔化的玻璃從基板飛濺出去，在玻璃中形成通孔的成孔方法，成本較低，是比較理想的加工玻璃等非導(dǎo)電硬脆性材料的加工方式。玻璃通孔的內(nèi)壁經(jīng)過(guò)火焰拋光，直到非常光滑，殘余應(yīng)力通過(guò)后處理退火來(lái)消除，可對(duì)厚度100μm~500μm的石英、鈉鈣硅和無(wú)堿玻璃加工成孔，而不需要面罩或無(wú)塵環(huán)境，為防止厚玻璃在鉆孔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的玻璃濺射，最優(yōu)的加工厚度為100μm至200μm。ECDM成孔時(shí)間為0.2秒~0.5秒，并可通過(guò)多個(gè)放電端口同時(shí)執(zhí)行，處理的孔徑和形貌與電極尺寸和表面粗糙度有關(guān)。

在熔融石英襯底上制造 3D 電感器的示意圖，(a) 熔融石英襯底，(b) 通過(guò) ECDM 制造的 TGV，(c) 粘合到載體襯底的襯底，(d) 電鍍銅，(e) 拋光掉銅種子層，(f) 兩側(cè)沉積 Ti/Cu 層，(g) 兩側(cè)光刻以確定RDL模具，(h) 電鍍銅、光刻膠去除和種子層濕法蝕刻

圖源：Recent Progress of TGV Technology for High PerformanceSemiconductor Packaging，Joumal of Welding and Joining 作者：Beom Chang Seok, Jae Pil Jung

DOI：https ://doi.org/10.5781/JWJ.2024.42.2.2

3）光敏玻璃成孔技術(shù)

光敏玻璃是通過(guò)將光敏劑引入玻璃體中，形成的一種感光玻璃，光敏玻璃成孔是將光敏玻璃在特定波長(zhǎng)的光線下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再經(jīng)過(guò)熱處理后完成指定區(qū)域的改性，經(jīng)化學(xué)蝕刻后成型TGV。常用的光敏玻璃，如2016年肖特開發(fā)的FOTURANI玻璃，在紫外線照射下會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，將玻璃加熱至500-600°C結(jié)晶化處理，再用氫氟酸蝕刻改性的玻璃基板，其速率比未改性區(qū)域高20-50倍。光敏玻璃可以通過(guò)紫外激光照射或無(wú)掩膜改性，這兩種加工方法都能夠加工深寬比超過(guò)8的TGV，孔道內(nèi)壁具有良好的垂直度(傾角低至1°)和粗糙度(小于1μm)。光敏玻璃成孔技術(shù)中曝光均勻性不佳和曝光時(shí)間增加等問(wèn)題，對(duì)光敏玻璃通孔質(zhì)量易造成影響，而玻璃基板的高成本和加工的復(fù)雜性等問(wèn)題也是當(dāng)前面臨的技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)。

4）激光燒蝕(LD)

LD是通過(guò)熱沖擊和燒蝕形成低直徑和高深寬比的TGV成孔技術(shù)，利用玻璃基板對(duì)特定波長(zhǎng)的激光的強(qiáng)吸收特性，將激光束聚焦在基板表面，使玻璃氣化或者離子化，如圖1所示。用于TGV工藝的常用激光器包括紅外CO2激光器、紫外UV-YAG激光器和ArF準(zhǔn)分子激光器。LD可實(shí)現(xiàn)快速加工，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但在激光加工熱應(yīng)力的作用下TGV內(nèi)部易形成微裂紋等損傷和邊緣易凸起等缺點(diǎn)?？赏ㄟ^(guò)在玻璃表面添加有機(jī)層以減少激光損傷，將玻璃浸入冷卻液體中減少熱沖擊，加工前對(duì)玻璃進(jìn)行預(yù)熱，或使用較短的脈沖激光等工藝改善。

圖1 LD工藝簡(jiǎn)圖

5）激光誘導(dǎo)深度蝕刻(LIDE)

激光誘導(dǎo)深蝕刻技術(shù)使用激光改性玻璃基板以形成待刻蝕區(qū)域，將玻璃基板置于氫氟酸或堿性溶液中刻蝕，激光誘導(dǎo)區(qū)域的蝕刻速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，從而形成通孔。與氫氟酸相比，堿性的蝕刻率較低，但更易形成具有高長(zhǎng)寬比的近垂直通孔。石英玻璃和硼硅酸鹽玻璃的蝕刻率高于其他類型的玻璃，可以加工直徑小于7μm、深寬比高達(dá)50、70甚至100的玻璃通孔。通過(guò)多個(gè)LIDE工藝，可以實(shí)現(xiàn)同一玻璃基板上不同直徑的通孔和盲孔的集成，如圖2所示。LIDE工藝加工大尺寸的通孔時(shí)間長(zhǎng)，效率低，加工前需要對(duì)盲孔設(shè)定點(diǎn)間距，這些盲孔連接起來(lái)形成空腔。腔體的處理時(shí)間取決于激光誘導(dǎo)的點(diǎn)間距和激光的行進(jìn)速度，點(diǎn)間距越大，空穴底部的粗糙度越高(Ra>0.1μm)，而過(guò)小的點(diǎn)間距會(huì)導(dǎo)致激光感應(yīng)過(guò)程中玻璃內(nèi)部的積熱問(wèn)題，影響加工結(jié)果。

圖2 玻璃基板上不同直徑的通孔和盲孔

LIDE適用于處理任意尺寸和間距的孔道或盲孔陣列。它能夠通過(guò)封閉連接間隔緊密的孔(1-10μm)來(lái)創(chuàng)建任何形狀的腔或大孔。成孔質(zhì)量均勻，一致性好，無(wú)裂紋;成孔速率快，可達(dá)到290 TGV/S；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。LIDE成孔技術(shù)在速度、質(zhì)量和成本方面具有多方面的優(yōu)點(diǎn)?？商幚矸秶鷱V泛的TGV，與其他工藝具有高度兼容性，在三維集成和晶圓級(jí)封裝領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力。激光誘導(dǎo)刻蝕優(yōu)勢(shì)明顯，已被康寧，肖特，AGC，MosaicMicrosystems，LPKF，Plan Optik，Samtec和廈門Sky-semi等企業(yè)廣泛采用，在成孔技術(shù)中脫穎而出。

金屬填充技術(shù)

在TGV技術(shù)中，填充導(dǎo)電材料是確保電氣連接的關(guān)鍵步驟。TGV金屬填充技術(shù)不僅需要確保金屬在TGV內(nèi)的均勻填充，還需要確保金屬層與玻璃基板的緊密結(jié)合，任何不均勻、不緊密的填充都可引起導(dǎo)電性能及可靠性的降低。TGV技術(shù)中高質(zhì)量的金屬填充則是另一難點(diǎn)，TGV主要有盲孔、垂直通孔、X型通孔以及V型通孔四種類型，這些形狀對(duì)導(dǎo)電材料的沉積構(gòu)成了較大的挑戰(zhàn)，容易形成孔的“堵塞”，玻璃襯底與金屬層之間的分層，金屬層卷曲甚至脫落的現(xiàn)象，通過(guò)選擇合適的導(dǎo)電材料和優(yōu)化填充工藝，可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電氣連接。常用的導(dǎo)電性能良好的填充材料包括銅、銀或金等金屬，填充方式通常包括金屬導(dǎo)電膠填充法和電鍍填充法。

1）金屬導(dǎo)電膠填充法

金屬導(dǎo)電膠填充材料可選用納米銀漿和導(dǎo)電銅漿，通電后具有可調(diào)節(jié)的CTE，與玻璃接近。金屬導(dǎo)電膠可以通過(guò)絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)填充到TGV中實(shí)現(xiàn)電互聯(lián)或者使用3D打印工藝，使用小型噴嘴噴出金屬導(dǎo)電膠，配合使用激光燒結(jié)膠體，形成電互聯(lián)，在真空環(huán)境下，可以避免糊狀物內(nèi)部的空隙。金屬導(dǎo)電膠填充法可以實(shí)現(xiàn)高縱橫比和高密度的TGV陣列金屬化。固化后，金屬導(dǎo)電膠的體積可能會(huì)收縮，導(dǎo)致TGV中的凹陷缺陷，通過(guò)重新填充糊狀物或研磨玻璃基板來(lái)去除該凹陷。印刷和填充過(guò)程后，玻璃基板表面仍有殘留物，燒結(jié)后，需要對(duì)玻璃的表面進(jìn)行拋光等處理，以提高其表面清潔度。 金屬導(dǎo)電膠填充法在TGV金屬化的應(yīng)用研究較少。Iwai等人利用銅錫導(dǎo)電填料填充TGV，經(jīng)真空熱壓完成燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)多層玻璃基板內(nèi)通孔的垂直互連。Takahashi等人通過(guò)3D打印和絲網(wǎng)印刷在直徑為50μm、間距130μm的TGV內(nèi)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電銅膏的填充，其中銅膏的表面電阻率約為1.6-1.9 Ωm/sq。 廈門大學(xué)陳力等人使用導(dǎo)電銀棒在400微米厚的BF33玻璃基板上成功填充了50微米和100微米直徑的TGV。填充的通孔沒(méi)有氣泡等缺陷，并且過(guò)孔內(nèi)的銀膏的電阻率為2.56×10-7Ω·m。唐平高等人利用噴墨打印填充盲孔，對(duì)填充金屬液后的盲孔進(jìn)行真空干燥處理，形成所述金屬填充層，再減薄玻璃襯底厚度，形成能夠貫穿玻璃襯底的通孔，減少整體制備時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。 通常，金屬導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性低，并且在燒結(jié)過(guò)程中其電阻率變化。金屬導(dǎo)電膠填充法適用于應(yīng)用具有低電互連標(biāo)準(zhǔn)或高縱橫比的TGV金屬化，但工藝穩(wěn)定性仍有待提高。

2）磁控自組裝方法

針對(duì)不同的縱橫比和傾斜角度的TGV金屬化，Laakso等人采用磁場(chǎng)輔助的自組裝方法，將鎳線固定在TGV內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電氣互連。切割的鎳線在磁場(chǎng)作用下進(jìn)入到玻璃通孔中，采用SOG技術(shù)填充孔洞，并用甲基硅氧烷固化，固化后，在正面布線完成后，使用背面濕法蝕刻來(lái)薄化晶片并去除鎳線，從而完成TGV金屬化。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)具有高密度、高縱橫比和低電阻值的TGV金屬化，同時(shí)可確保金屬棒與各種內(nèi)壁形態(tài)和粗糙通孔的兼容性，調(diào)整金屬棒和SOG的成分可以緩解TGV中的感熱失諧問(wèn)題。該工藝對(duì)磁場(chǎng)控制技術(shù)有嚴(yán)格的要求，磁控制導(dǎo)線的長(zhǎng)度必須大于寬度才能實(shí)現(xiàn)正確的定向，由于蝕刻劑需穿透SOG和TGV的側(cè)壁，給HF蝕刻薄化晶片增加了難度，通常采用化學(xué)機(jī)械研磨方法實(shí)現(xiàn)晶片減薄。

3）電鍍法

電鍍法填充是一種在TGV內(nèi)壁進(jìn)行金屬化處理的技術(shù)，主要包括：

金屬化前處理，通過(guò)物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積CVD等技術(shù)在孔壁上形成一層薄的導(dǎo)電層（如種子層），對(duì)玻璃通孔進(jìn)行預(yù)處理，以提高金屬化的附著力和均勻性，種子層材料可以是Ti/Cu、Cr/Cu等；

電鍍填孔，將玻璃通孔放入電鍍槽中，并注入適當(dāng)?shù)碾娊庖?，通過(guò)電流的作用，在孔壁上沉積形成金屬層，電解液的選擇對(duì)電鍍層的質(zhì)量和性能有重要影響，電鍍時(shí)間以及電流的密度是影響金屬層厚度和均勻性；

電鍍后處理，通過(guò)濕腐蝕和CMP等方法去除殘留的電解液和雜質(zhì)，對(duì)金屬層進(jìn)行后處理，如拋光、清洗等，去除雜質(zhì)、提高表面光潔度和耐腐蝕性。

當(dāng)前，TGV電鑄銅實(shí)心填充主要有3種方法，一種是借助新型鍍銅添加劑并配合電流密度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)通孔1/2處在電鑄過(guò)程中加速生長(zhǎng)并發(fā)生橋接，從而將TGV填充轉(zhuǎn)換為2個(gè)盲孔填充。第二種是先雙面保形電鑄加厚側(cè)壁銅層，隨后更換鍍液填實(shí)一端孔口，這種填充方式也稱為“蝶形填充 (butterfly mode1)”。第三種也是最為常見(jiàn)的方法，通過(guò)將雙面TGV固定在陰極上或預(yù)先填充某側(cè)孔口使之轉(zhuǎn)變成盲孔，再以“自下而上(bottom-up)”方式進(jìn)行實(shí)心填充。由于繼承了TSV鍍銅工藝技術(shù)的基礎(chǔ)，自下而上的鍍銅實(shí)心填充在電學(xué)特性、熱力學(xué)可靠性、工藝開發(fā)難度等方面更具優(yōu)勢(shì)。 TGV孔徑相對(duì)比較大且多為通孔，增加了電鍍法填充電鍍時(shí)間和成本，并且由于玻璃表面平滑，與銅的黏結(jié)力較差，玻璃基板與金屬層之間的出現(xiàn)分層現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)金屬層的脫落，同時(shí)電鑄銅添加劑作用機(jī)理復(fù)雜，且添加劑成本高昂。 為解決以上問(wèn)題，研究者從種子層、電解液等方面開展了大量工作。CN113066758B提供了一種TGV深孔填充方法，對(duì)玻璃基板以及玻璃通孔進(jìn)行腐蝕后再填充，可在一定的程度上防止種子層脫落，保證填充效果；CN116913861A公開了一種TSV/TGV微通孔金屬化方法，通過(guò)設(shè)置多段電流密度和時(shí)間，調(diào)整通孔兩端的電力線密度，精準(zhǔn)控制橋連位置，完成多種方法的部分實(shí)心填充。Tanaka等人針對(duì)深度為300μm、底部直徑為60μm、頂部直徑為40μm的TGV完成了部分電鍍填充，并通過(guò)對(duì)電流分布的模擬分析研究了電鍍法填充的可行性。在此基礎(chǔ)上制備的共面波導(dǎo)（CPW）中，TGV在30GHz下的插入損耗為0.2dB。王等人采用雙面銅共同電鍍工藝實(shí)現(xiàn)了X形TGV的填充，在-40°C至125°C的100次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，在關(guān)鍵部位未觀察到裂紋等缺陷。這表明電鍍填充TGV工藝在制備MEMS器件方面具有良好的應(yīng)用前景。廈門大學(xué)陳力等人實(shí)現(xiàn)了縱橫比為7的玻璃盲孔電鍍和縱橫比為4的雙面TGV電鍍。

面臨的技術(shù)問(wèn)題與挑戰(zhàn)

近年來(lái)，由于玻璃材料的易碎性和化學(xué)惰性，當(dāng)前已有的TGV技術(shù)都還存在許多問(wèn)題，距離實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模的量產(chǎn)，還有很長(zhǎng)的路要走。截至目前，TGV通孔技術(shù)發(fā)展在制造和應(yīng)用過(guò)程中面臨著一系列技術(shù)問(wèn)題和挑戰(zhàn)。主要包括： 1）成孔技術(shù)難度大，目前缺乏類似TSV的深刻蝕工藝，難以快速制作高深寬比的TGV?，F(xiàn)有的方法仍存在損傷玻璃，造成表面不光滑，生產(chǎn)良率低、加工效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)等問(wèn)題難以解決； 2）TGV的高質(zhì)量填充技術(shù)，與TSV不同，TGV孔徑相對(duì)比較大且多為通孔，電鍍時(shí)間和成本將增加。目前填孔工藝的難點(diǎn)，一方面是孔徑與孔深的精準(zhǔn)控制，填孔工藝中需確保填孔尺寸和深度的準(zhǔn)確性，從而保證金屬填充能夠完全覆蓋通孔，并且實(shí)現(xiàn)均勻的填充量，這就需要通過(guò)精確的工藝參數(shù)設(shè)定和先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面是填孔材料選擇，在TGV技術(shù)中，填孔材料它不僅要與玻璃基板具備良好的相容性，還需提供出色的粘附性和導(dǎo)電性。在材料的選擇上，需綜合考慮其熱膨脹系數(shù)、化學(xué)性質(zhì)以及成本效益等多方面因素，確保所選填孔材料能夠滿足TGV技術(shù)的嚴(yán)格要求。 3）缺乏可靠性數(shù)據(jù)，當(dāng)前各個(gè)廠家TGV技術(shù)的制備方法不盡相同，產(chǎn)品良率和成本的控制是大家共同面臨的挑戰(zhàn)。亟需建立一個(gè)可行的商業(yè)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、組裝和測(cè)試工藝方法和設(shè)備，形成穩(wěn)定的制備工序，建立TGV技術(shù)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。 4）層數(shù)限制：隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)TGV的要求越來(lái)越高，特別是在多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中。然而，由于玻璃基板的材料特性和TGV技術(shù)的限制，其層數(shù)受到一定的限制。層數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、成本增加等問(wèn)題。因此，如何在保證性能的前提下提高層數(shù)成為了當(dāng)前面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。 為了解決這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，需要不斷加強(qiáng)國(guó)內(nèi)TGV技術(shù)的研發(fā)和工藝優(yōu)化，提高TGV產(chǎn)品質(zhì)量和性能；同時(shí)，也需要關(guān)注市場(chǎng)需求和國(guó)內(nèi)外TGV技術(shù)趨勢(shì)的變化，不斷調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)策略。