玻璃通孔工藝(TGV)簡(jiǎn)介

硅基轉(zhuǎn)接板2.5 D集成技術(shù)作為先進(jìn)的系統(tǒng)集成技術(shù)，近年來(lái)得到迅猛的發(fā)展。但硅基轉(zhuǎn)接板存在兩個(gè)的主要問(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)完整度較差（插損、串?dāng)_等）。

作為另一種可能的替代硅基轉(zhuǎn)接板材料，玻璃通孔（TGV）轉(zhuǎn)接板正在成為半導(dǎo)體企業(yè)和科研院所的研究熱點(diǎn)。

和TSV相對(duì)應(yīng)的是，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）和超薄（<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(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)接板中不需要減?。?/p>

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??；

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。

近年來(lái)，國(guó)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(wú)損快速玻璃成孔技術(shù)的開(kāi)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(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(méi)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。

1、 玻璃穿孔主要技術(shù)

1.1玻璃穿孔成孔技術(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。玻璃通孔成孔技術(shù)可以分為噴砂法、光敏玻璃法、聚焦發(fā)電法、等離子體刻蝕法、激光燒蝕法、電化學(xué)放電加工法、激光誘導(dǎo)刻蝕法。

其中，玻璃誘導(dǎo)刻蝕法如下：

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)的玻璃放在氫氟酸溶液中進(jìn)行刻蝕。

1.2玻璃穿孔填孔技術(shù)

類似硅通孔的金屬填充方案也可以應(yīng)用在TGV上。

另外一個(gè)將TGV填實(shí)的方案是將金屬導(dǎo)電膠進(jìn)行TGV填實(shí)。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。

除了TGV電鍍填實(shí)外，TGV也可以采用通孔內(nèi)電鍍薄層方案實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接。

1.3玻璃通孔高密度布線

線路轉(zhuǎn)移（CTT）和光敏介質(zhì)嵌入法，是比較常用的方式。CTT主要包括兩個(gè)過(guò)程。一是精細(xì)RDL線預(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)線成品率。精細(xì)線路的形成采用細(xì)線光刻和電解鍍銅的方法，并且以薄銅箔作為鍍層的種子層。工藝流程如下:

第二步就是將RDL層集成到基板上。RDL層被制造出來(lái)后，他們?cè)偈褂脽釅汉系耐瑫r(shí)被轉(zhuǎn)移到核心層的兩邊。步驟如下：

PTE工藝可分為兩個(gè)不同的步驟，一是在光敏介質(zhì)層總形成精細(xì)的溝槽；二是金屬化，包括種子層沉積、電鍍和表面除銅。工藝流程如下：

2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2011年，瑞士的微納系統(tǒng)研究部提出了如下圖所示的基于TSV技術(shù)圓片級(jí)真空封裝方案。該方案由TSV封帽與器件層兩部分構(gòu)成，TSV封帽垂直導(dǎo)通柱是填充在硅通孔中的銅柱。器件層上制作有金錫電極與銅柱相連，從而把電信號(hào)從空腔內(nèi)部的引到空腔外部，最后通過(guò)硅-硅直接鍵合實(shí)現(xiàn)密封。該方案氣密性很好，但是TSV封帽制作工藝復(fù)雜，熱應(yīng)力大（銅柱與硅熱失配大），且硅硅鍵合對(duì)鍵合表面要求質(zhì)量很高，一般加工過(guò)的硅片很難達(dá)到此要求。

2013年，新加坡微電子學(xué)院提出如下圖所示基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案。該方案由TSV封帽、硅器件層組成，TSV封帽也是由硅通孔里的銅柱做垂直導(dǎo)通柱，硅器件層上制作有射頻結(jié)構(gòu)及金屬電極，最后使用AuSn焊料鍵合實(shí)現(xiàn)氣密封裝。此方案雖然也存在TSV封帽制作工藝復(fù)雜，熱應(yīng)力大的問(wèn)題，但采用焊料鍵合方式封裝，盡管犧牲一定的密封性，但大大降低對(duì)TSV鍵合表面質(zhì)量的要求，其工業(yè)應(yīng)用范圍更廣。

從以上兩個(gè)TSV例子可以看出，TSV存在工藝復(fù)雜，熱應(yīng)力過(guò)大的缺點(diǎn)。為解決這些問(wèn)題，更好實(shí)現(xiàn)真空封裝，又提出了TGV技術(shù)。2008年，美國(guó)Michigan大學(xué)提出了的一種基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案，如下圖所示。該方案由封帽，器件層以及基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)襯底三部分構(gòu)成。封帽可以為硅或玻璃，制作有空腔；器件層是硅結(jié)構(gòu)層?；诔Ｒ?guī)工藝TGV技術(shù)襯底是在玻璃片上制作電極和通孔，通孔表面沉積有金屬層，有的通孔填充焊錫球，用以形成垂直導(dǎo)通柱，把電信號(hào)由密封腔中引出。最后通過(guò)陽(yáng)極鍵合把器件層與TGV襯底鍵合在一起，形成密封。該方案優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)陽(yáng)極鍵合形成密封，陽(yáng)極鍵合密封性好、熱失配小、污染小且一般硅片能達(dá)到陽(yáng)極鍵合對(duì)表面質(zhì)量的要求。

2010年，挪威的Sensonor Technologies AS提出了結(jié)構(gòu)如下圖所示的一種基于玻璃回流TGV技術(shù)圓片級(jí)真空封裝方案封裝蝶翼式硅微陀螺。為減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高陀螺儀靈敏度，采用三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上下兩層均為TGV襯底，中間夾硅結(jié)構(gòu)層?；诓ＡЩ亓鱐GV襯底，是通過(guò)高溫玻璃回流，然后雙面CMP加工制成的。TGV襯底垂直導(dǎo)通柱即為由回流玻璃隔離出來(lái)的硅柱，襯底上不制作金屬電極，直接用硅做電極。硅結(jié)構(gòu)層采用Silicon-on-Insulator (SOI)材料和干法刻蝕制作而成，空腔制作在硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)層上，通過(guò)硅-玻璃將三者陽(yáng)極鍵合在一起，分別有兩次，形成密封環(huán)境。該封裝方案優(yōu)勢(shì)凸出，不僅封裝應(yīng)力低，而且TGV襯底工藝簡(jiǎn)單，密封性好，熱適配小，寄生電容小。

2013年，韓國(guó)Dankook大學(xué)開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)如圖所示的TGV技術(shù)圓片級(jí)真空封裝方案。該方案包括玻璃封帽、CPW器件層以及TGV襯底，腔體制作在玻璃封帽上。其TGV襯底與眾不同，先后采用玻璃回流工藝與電鍍銅工藝制作。簡(jiǎn)而言之，為先利用玻璃回流工藝制作硅導(dǎo)通柱，然后去除硅導(dǎo)通柱，用電鍍銅作導(dǎo)通柱。CPW器件層制作在襯底密封環(huán)范圍內(nèi)，最后封帽與襯底通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合形成密封腔，并制作外部的金屬焊盤完成引線及封裝。該方案電學(xué)性能優(yōu)良，但工藝復(fù)雜。

2009年，上海微系統(tǒng)所提出了一種結(jié)構(gòu)如圖所示基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案。該方案由TSV封帽與硅襯底兩部分組成：TSV封帽采用濕法和干法刻蝕出通孔，通孔中填充銅作為導(dǎo)通柱，導(dǎo)通柱與硅通過(guò)隔離層隔離，腔體制作在TSV封帽上。硅襯底上制作有結(jié)構(gòu)，通過(guò)Cu-Sn焊料鍵合與TSV封帽實(shí)現(xiàn)密封封裝。該方案簡(jiǎn)單易行，但焊料鍵合用在圓片級(jí)真空封裝上會(huì)顯得鍵合密封性不夠，污染過(guò)大。

2012年，北京大學(xué)提出了結(jié)構(gòu)如圖所示一種基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案。該方案是典型的三明治式架構(gòu)，由玻璃封帽、硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)層、TGV襯底三層組成。硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)采用干法刻蝕出可動(dòng)結(jié)構(gòu)；基于常規(guī)工藝TGV襯底采用濕法腐蝕出通孔與金屬沉積導(dǎo)通柱等工藝制作而成；空腔制作在封帽上，空腔頂部沉積有吸氣劑，保持腔體真空度。最后玻璃封帽、硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)層、TGV襯底通過(guò)兩次硅-玻璃陽(yáng)極鍵合封裝在一起。

3、TGV技術(shù)的應(yīng)用

3.1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，因此被廣泛的應(yīng)用于集成無(wú)源器件（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)與制造，并與相同的硅基電感對(duì)比，展現(xiàn)了更好的電學(xué)特性。2017年，日月光集團(tuán)在玻璃基板上實(shí)現(xiàn)了面板級(jí)的IPD制作工藝。該方案板材翹曲可控制在1mm以內(nèi)，并且無(wú)明顯結(jié)構(gòu)剝落分層現(xiàn)象。

3.2嵌入式玻璃扇出與集成天線封裝

玻璃通孔還可以在玻璃上制作空腔，進(jìn)而為芯片的封裝提供一種嵌入式玻璃扇出（eGFO）的新方案。2017年喬治亞理工率先實(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封裝。該技術(shù)在70um厚、大小為300mm*300mm的玻璃面板上完成了26個(gè)芯片的扇出封裝，并有效的控制芯片的偏移和翹曲。2020年云天半導(dǎo)體采用嵌入式玻璃扇出技術(shù)開(kāi)了77GHz汽車?yán)走_(dá)芯片的封裝，并在此基礎(chǔ)上提出了一種高性能的天線封裝（AiP）方案。工藝流程如圖所示：

在厚度為180um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175um高的芯片放入玻璃空腔總。通過(guò)復(fù)合材料將芯片和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)線路制作、球柵陣列（BGA）制作以及晶圓切片。

3.3基于玻璃通孔的MEMS封裝

2013年，LEE等利用玻璃穿孔技術(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20GHz時(shí)具有0.197dB的低插入損耗和20.032dB的高返回?fù)p耗。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，并用于MEMS器件的封裝中。

3.4基于TGV的集成天線

廈門大學(xué)的張淼創(chuàng)造性的引入TGV加工波導(dǎo)縫隙天線。首先采用激光誘導(dǎo)刻蝕制備波導(dǎo)縫隙陣列天線玻璃襯底，通過(guò)激光在玻璃上誘導(dǎo)產(chǎn)生連續(xù)性的變性區(qū)，后將變性后的玻璃在稀釋氫氟酸總進(jìn)行刻蝕，由于激光作用處的玻璃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)。最終刻蝕后的玻璃穿孔精度為±5μm，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表面的有機(jī)物等顆粒，并使晶圓表面產(chǎn)生一定的粗糙度，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60min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5μm的銅層。最后，采用技術(shù)焊料鍵合技術(shù)將5片晶圓鍵合。用刮刀以及絲網(wǎng)將10μm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40N的壓力壓合5min使焊料融化或相互擴(kuò)散以達(dá)到鍵合的目的。工藝流程度如圖：

3.5多層玻璃基板

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，同時(shí)具有較高的可靠性。2019年，IWAI等在多層玻璃基板的技術(shù)基礎(chǔ)上，完成了一個(gè)多芯片封裝的結(jié)構(gòu)。其工藝流程如圖：

審核編輯：湯梓紅