云天半導(dǎo)體玻璃通孔（TGV）技術(shù)助力5G騰飛

摩爾定律發(fā)展趨勢(shì)放緩和集成電路應(yīng)用的多元化發(fā)展，是當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)的兩個(gè)重要特點(diǎn)，隨著智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、高性能計(jì)算、5G和人工智能等領(lǐng)域產(chǎn)品的興起，特別是5G領(lǐng)域（5G毫米波（28-60GHz）、5G Sub-6GHz、5G物聯(lián)網(wǎng)（Sub-1GHz））高速、高頻、以及多種器件異質(zhì)集成的運(yùn)用要求，需要先進(jìn)封裝技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。

基于硅通孔的轉(zhuǎn)接板（Interposer) 2.5D集成技術(shù)作為先進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多芯片高密度三維集成，但硅基轉(zhuǎn)接板的成本高且電學(xué)性能差，使其市場(chǎng)化運(yùn)用受限。作為一種可能替代硅基轉(zhuǎn)接板的材料，玻璃通孔（TGV）三維互連技術(shù)因眾多優(yōu)勢(shì)正在成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，與硅基板相比，TGV的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：1）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，保證了傳輸信號(hào)的完整性；2）大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取。Corning、Asahi以及SCHOTT等玻璃廠商可以提供超大尺寸（>2m × 2m）和超?。?50μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料。3）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；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)接板中不需要減??；5）機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)。即便當(dāng)轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm時(shí)，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，作為一種透明材料，還可應(yīng)用于光電系統(tǒng)集成領(lǐng)域，氣密性和耐腐蝕性優(yōu)勢(shì)使得玻璃襯底在MEMS封裝領(lǐng)域有巨大的潛力。幾種常用基板材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 各種材料的性能參數(shù)對(duì)比

近年來，國內(nèi)外許多研究者致力于研發(fā)低成本、小尺寸、細(xì)間距、無損快速玻璃成孔技術(shù)的開發(fā)，如噴砂法、光敏玻璃、等離子體刻蝕、聚焦放電、激光燒蝕等。但是由于玻璃材料的易碎性和化學(xué)惰性，當(dāng)前已有的方法都還存在許多問題，距離實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模的量產(chǎn)，還有很長的路要走。截止目前，玻璃通孔三維互連技術(shù)發(fā)展的主要困難包括：1）現(xiàn)有的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)TGV，但有些方法會(huì)損傷玻璃，造成表面不光滑；有些方法的加工效率低，沒法大規(guī)模量產(chǎn)；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；3）與硅材料相比，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。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司團(tuán)隊(duì)在TGV技術(shù)領(lǐng)域開展了多年研發(fā)，先后采用激光燒蝕、等離子體刻蝕、光敏玻璃工藝等技術(shù)方案，探索可規(guī)模化量產(chǎn)技術(shù)。近兩年，成功開發(fā)先進(jìn)激光加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率的玻璃通孔制備，并實(shí)現(xiàn)深寬比為10:1的玻璃通孔量產(chǎn)。近期研發(fā)結(jié)果顯示，該技術(shù)可以做到20:1的深孔和5:1深的玻璃盲孔，且具備較好的形貌。云天半導(dǎo)體是目前全球率先具備低成本規(guī)模化量產(chǎn)TGV技術(shù)的代工企業(yè)，處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

圖1：玻璃通孔超高密度列陣（孔徑20 um，孔間距40um）

圖2：220/20玻璃通孔截面圖

借助于云天半導(dǎo)體特色激光加工工藝，每秒可完成數(shù)百個(gè)以上的通孔制作，可以加工出多種形狀的通孔，如方形通孔，圓形通孔，以及異形孔通孔也可加工，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化，降低側(cè)壁粗糙度，高效且成本低，滿足客戶多種要求。

云天半導(dǎo)體率先建立TGV晶圓雙面電鍍銅完全填充工藝，采用低成本光刻+電鍍技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)TGV孔填充和RDL金屬一次成型。這種工藝可以廣泛的應(yīng)用于3D互連，且在IPD器件上實(shí)現(xiàn)高Q值（超過60@1GHz）。該技術(shù)可為快速發(fā)展的射頻應(yīng)用提供3D集成封裝技術(shù)解決方案。如圖3所示，為TGV銅填充陣列。

圖3：TGV銅填充陣列

通過玻璃通孔將集成電路和電子器件在垂直方向堆疊起來的三維集成技術(shù)，為電子系統(tǒng)的性能提升和系統(tǒng)級(jí)集成提供了一種高性能、低成本的解決方案。玻璃轉(zhuǎn)接板，由于其巨大的高互連密度和高熱機(jī)械可靠性優(yōu)勢(shì)，在三維集成技術(shù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。其中，高電學(xué)性能、高可靠性、低成本制造是玻璃通孔走向?qū)嶋H應(yīng)用的核心因素。如圖4所示，為玻璃轉(zhuǎn)接板在三維集成芯片中的應(yīng)用。

圖4：TGV轉(zhuǎn)接板在三維封裝中的應(yīng)用

TGV技術(shù)還可以應(yīng)用于醫(yī)療、光電器件、射頻模塊、電子氣體放大器、設(shè)備治具等領(lǐng)域，隨著技術(shù)進(jìn)步，成本不斷降低，應(yīng)用將愈加廣泛。

云天半導(dǎo)體簡介：

廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司成立于2018年7月，致力于5G應(yīng)用的半導(dǎo)體系統(tǒng)集成協(xié)同設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)、工程驗(yàn)證和量產(chǎn)服務(wù)。公司建有研發(fā)基地和量產(chǎn)生產(chǎn)線，以3D-WLP/IPD/TGV/Fan-out等領(lǐng)先創(chuàng)新技術(shù)為客戶提供系統(tǒng)封裝集成方案和量產(chǎn)服務(wù)。