玻璃通孔工藝(TGV)簡介

硅基轉接板2.5 D集成技術作為先進的系統(tǒng)集成技術，近年來得到迅猛的發(fā)展。但硅基轉接板存在兩個的主要問題：

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；

2) 電學性能差，硅材料屬于半導體材料，傳輸線在傳輸信號時，信號與襯底材料有較強的電磁耦合效應，襯底中產生渦流現象，造成信號完整度較差（插損、串擾等）。

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

和TSV相對應的是，作為一種可能替代硅基轉接板的材料，玻璃通孔（TGV）三維互連技術因眾多優(yōu)勢正在成為當前的研究熱點，與硅基板相比，TGV的優(yōu)勢主要體現在：

1）優(yōu)良的高頻電學特性。玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個數量級，使得襯底損耗和寄生效應大大減小，保證了傳輸信號的完整性；

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，玻璃轉接板的制作成本大約只有硅基轉接板的1/8；

4）工藝流程簡單。不需要在襯底表面及TGV內壁沉積絕緣層，且超薄轉接板中不需要減?。?/p>

5）機械穩(wěn)定性強。即便當轉接板厚度小于100μm時，翹曲依然較?。?/p>

6）應用領域廣泛。除了在高頻領域有良好應用前景，作為一種透明材料，還可應用于光電系統(tǒng)集成領域，氣密性和耐腐蝕性優(yōu)勢使得玻璃襯底在MEMS封裝領域有巨大的潛力。

近年來，國內外許多研究者致力于研發(fā)低成本、小尺寸、細間距、無損快速玻璃成孔技術的開發(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惰性，當前已有的方法都還存在許多問題，距離實際應用和大規(guī)模的量產，還有很長的路要走。截止目前，玻璃通孔三維互連技術發(fā)展的主要困難包括：

1）現有的方法雖然可以實現TGV，但有些方法會損傷玻璃，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；

2）TGV的高質量填充技術，與TSV不同，TGV孔徑相對比較大且多為通孔，電鍍時間和成本將增加；

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象，導致金屬層卷曲，甚至脫落等現象。

1、 玻璃穿孔主要技術

1.1玻璃穿孔成孔技術

制約玻璃通孔技術發(fā)展的主要困難之一就是玻璃通孔成孔技術，需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側壁光滑、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、電化學放電加工法、激光誘導刻蝕法。

其中，玻璃誘導刻蝕法如下：

1）使用皮秒激光在玻璃上產生變性區(qū)域；

2）將激光處理過的玻璃放在氫氟酸溶液中進行刻蝕。

1.2玻璃穿孔填孔技術

類似硅通孔的金屬填充方案也可以應用在TGV上。

另外一個將TGV填實的方案是將金屬導電膠進行TGV填實。利用金屬導電膠的優(yōu)點是固化后導電通孔的熱膨脹系數可以調節(jié)，使其接近基材，避免了因CTE不匹配造成的失效。

除了TGV電鍍填實外，TGV也可以采用通孔內電鍍薄層方案實現電學連接。

1.3玻璃通孔高密度布線

線路轉移（CTT）和光敏介質嵌入法，是比較常用的方式。CTT主要包括兩個過程。一是精細RDL線預制，每一RDL層可以在可移動載體上單獨制造一層薄導電層，并在轉移到基板上之前測試或檢查細線成品率。精細線路的形成采用細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層被制造出來后，他們再使用熱壓合的同時被轉移到核心層的兩邊。步驟如下：

PTE工藝可分為兩個不同的步驟，一是在光敏介質層總形成精細的溝槽；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、國內外研究現狀

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技術圓片級真空封裝方案。該方案由TSV封帽與器件層兩部分構成，TSV封帽垂直導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，從而把電信號從空腔內部的引到空腔外部，最后通過硅-硅直接鍵合實現密封。該方案氣密性很好，但是TSV封帽制作工藝復雜，熱應力大（銅柱與硅熱失配大），且硅硅鍵合對鍵合表面要求質量很高，一般加工過的硅片很難達到此要求。

2013年，新加坡微電子學院提出如下圖所示基于TSV技術的圓片級真空封裝方案。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通柱，硅器件層上制作有射頻結構及金屬電極，最后使用AuSn焊料鍵合實現氣密封裝。此方案雖然也存在TSV封帽制作工藝復雜，熱應力大的問題，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TSV鍵合表面質量的要求，其工業(yè)應用范圍更廣。

從以上兩個TSV例子可以看出，TSV存在工藝復雜，熱應力過大的缺點。為解決這些問題，更好實現真空封裝，又提出了TGV技術。2008年，美國Michigan大學提出了的一種基于常規(guī)工藝TGV技術的圓片級真空封裝方案，如下圖所示。該方案由封帽，器件層以及基于常規(guī)工藝TGV技術襯底三部分構成。封帽可以為硅或玻璃，制作有空腔；器件層是硅結構層。基于常規(guī)工藝TGV技術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，用以形成垂直導通柱，把電信號由密封腔中引出。最后通過陽極鍵合把器件層與TGV襯底鍵合在一起，形成密封。該方案優(yōu)點是通過陽極鍵合形成密封，陽極鍵合密封性好、熱失配小、污染小且一般硅片能達到陽極鍵合對表面質量的要求。

2010年，挪威的Sensonor Technologies AS提出了結構如下圖所示的一種基于玻璃回流TGV技術圓片級真空封裝方案封裝蝶翼式硅微陀螺。為減少結構應力，提高陀螺儀靈敏度，采用三層對稱結構設計，上下兩層均為TGV襯底，中間夾硅結構層。基于玻璃回流TGV襯底，是通過高溫玻璃回流，然后雙面CMP加工制成的。TGV襯底垂直導通柱即為由回流玻璃隔離出來的硅柱，襯底上不制作金屬電極，直接用硅做電極。硅結構層采用Silicon-on-Insulator (SOI)材料和干法刻蝕制作而成，空腔制作在硅可動結構層上，通過硅-玻璃將三者陽極鍵合在一起，分別有兩次，形成密封環(huán)境。該封裝方案優(yōu)勢凸出，不僅封裝應力低，而且TGV襯底工藝簡單，密封性好，熱適配小，寄生電容小。

2013年，韓國Dankook大學開發(fā)出結構如圖所示的TGV技術圓片級真空封裝方案。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。簡而言之，為先利用玻璃回流工藝制作硅導通柱，然后去除硅導通柱，用電鍍銅作導通柱。CPW器件層制作在襯底密封環(huán)范圍內，最后封帽與襯底通過硅-玻璃陽極鍵合形成密封腔，并制作外部的金屬焊盤完成引線及封裝。該方案電學性能優(yōu)良，但工藝復雜。

2009年，上海微系統(tǒng)所提出了一種結構如圖所示基于TSV技術的圓片級真空封裝方案。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通柱，導通柱與硅通過隔離層隔離，腔體制作在TSV封帽上。硅襯底上制作有結構，通過Cu-Sn焊料鍵合與TSV封帽實現密封封裝。該方案簡單易行，但焊料鍵合用在圓片級真空封裝上會顯得鍵合密封性不夠，污染過大。

2012年，北京大學提出了結構如圖所示一種基于常規(guī)工藝TGV技術的圓片級真空封裝方案。該方案是典型的三明治式架構，由玻璃封帽、硅可動結構層、TGV襯底三層組成。硅可動結構采用干法刻蝕出可動結構；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、硅可動結構層、TGV襯底通過兩次硅-玻璃陽極鍵合封裝在一起。

3、TGV技術的應用

3.1玻璃基板的三維集成無源元件

玻璃基板具有優(yōu)異的高頻電學性能，因此被廣泛的應用于集成無源器件（IPD）之中。2010年，喬治亞理工的封裝中心率先完成了基于TGV的濾波器設計與制造，并與相同的硅基電感對比，展現了更好的電學特性。2017年，日月光集團在玻璃基板上實現了面板級的IPD制作工藝。該方案板材翹曲可控制在1mm以內，并且無明顯結構剝落分層現象。

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現了用于高I/O密度和高頻多芯片集成的玻璃面板扇出封裝。該技術在70um厚、大小為300mm*300mm的玻璃面板上完成了26個芯片的扇出封裝，并有效的控制芯片的偏移和翹曲。2020年云天半導體采用嵌入式玻璃扇出技術開了77GHz汽車雷達芯片的封裝，并在此基礎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，先采用激光誘導玻璃變性和化學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。通過復合材料將芯片和玻璃之間的縫隙填壓而不產生空隙，同時保護芯片的背面。對晶圓的頂面進行剝離，形成銅RDL，最后進行后續(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實現射頻MEMS器件的晶圓級封裝，采用電鍍方案實現通孔的完全填充，通過該方案制作的射頻MEMS器件在20GHz時具有0.197dB的低插入損耗和20.032dB的高返回損耗。2018年，LAAKSO等創(chuàng)造性地使用磁輔助組裝的方式來填充玻璃通孔，并用于MEMS器件的封裝中。

3.4基于TGV的集成天線

廈門大學的張淼創(chuàng)造性的引入TGV加工波導縫隙天線。首先采用激光誘導刻蝕制備波導縫隙陣列天線玻璃襯底，通過激光在玻璃上誘導產生連續(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，所以玻璃會成塊脫落從而形成目標通孔結構。最終刻蝕后的玻璃穿孔精度為±5μm，遠遠高于傳統(tǒng)機加工的精度。其次，采用物理氣相沉積對每層波導縫隙陣列天線玻璃襯底濺射銅層，經過氧等離子體清洗以徹底清除焊盤表面的有機物等顆粒，并使晶圓表面產生一定的粗糙度，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。然后在磁控濺射設備中，晶圓表面濺射一層厚度約為5μm的銅層。最后，采用技術焊料鍵合技術將5片晶圓鍵合。用刮刀以及絲網將10μm厚度的錫焊料印刷到晶圓表面，然后在鍵合機的真空腔室中以240℃的溫度加熱，以40N的壓力壓合5min使焊料融化或相互擴散以達到鍵合的目的。工藝流程度如圖：

3.5多層玻璃基板

2018年IWAI等使用導電膠填充玻璃通孔，從而實現多層玻璃基板堆疊，在回流過程中，通過該方案制作的多層玻璃基板的翹曲比傳統(tǒng)有機基板要小，通過該技術可以實現高密度布線，同時具有較高的可靠性。2019年，IWAI等在多層玻璃基板的技術基礎上，完成了一個多芯片封裝的結構。其工藝流程如圖：

審核編輯：湯梓紅