玻璃通孔技術(shù)的形成方法

1TGV先進封裝

3D IC的出現(xiàn)加速了對具有中介層功能的高密度I/O、低電損耗和低成本的需求。傳統(tǒng)的有機中介層由于尺寸穩(wěn)定性差、CTE不匹配和光刻限制而無法滿足此類需求。硅中介層推動了多個3D集成封裝的示范工作，并且在超高布線方面也引起了極大的關(guān)注。顯然，硅中介層的成本是一個關(guān)鍵問題，特別是對于大芯片尺寸的應(yīng)用來說，由于晶圓負(fù)載低導(dǎo)致效率低。

如今，基于玻璃的多項優(yōu)點，玻璃有望成為2.5D/3D集成封裝大尺寸中介層基板的核心材料，即“Glass Interposer”。這些是絕緣材料、平坦/光滑的表面、良好的電性能、可用的超薄玻璃和可擴展性。

對于玻璃中介層的實現(xiàn)，開發(fā)玻璃通孔（TGV）技術(shù)是最大的挑戰(zhàn)。需要細(xì)間距和高密度通孔形成。另外，金屬化技術(shù)是TGV基板的關(guān)鍵，因為它是產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的重要組成部分之一。玻璃金屬化也面臨著巨大的發(fā)展挑戰(zhàn)。

本研究探討了細(xì)間距和高密度TGV編隊的結(jié)果。使用無堿玻璃是因為其電性能良好，適用于高頻率應(yīng)用。本研究還探討了細(xì)間距TGV金屬化的結(jié)果。

2玻璃材料的特性

典型的可伸縮玻璃之一是無堿玻璃。表1顯示了EN-A1的無堿玻璃的玻璃材料特性。

在熱性能方面，EN-A1與Si具有很好的CTE曲線匹配。圖1顯示了EN-A1和Si的CTE曲線。

圖1：EN-A1 和 Si 的 CTE 曲線

對于高頻應(yīng)用而言重要的電性能方面，表2 顯示了每種基板材料的電性能比較。至于玻璃，從電性能的角度來看，熔融石英最適合高頻應(yīng)用。無堿玻璃（EN-A1）也被認(rèn)為適用于高頻器件。無堿玻璃和鈉鈣玻璃都具有可延展性，但電性能顯著不同。

3TGV Formation

研究展示了利用放電形成 TGV 的獨特方法。圖2顯示了這種TGV形成方法的示意圖。主要包括兩個步驟：集中和控制放電，產(chǎn)生玻璃的局部熔融區(qū)域，最后引起介質(zhì)擊穿，同時內(nèi)部產(chǎn)生高壓，使玻璃噴射出來。這些現(xiàn)象在不到 1 毫秒的時間內(nèi)完成。這種創(chuàng)建通孔的電氣方法適用于多種類型的玻璃，例如熔融石英、鈉鈣玻璃、無堿玻璃、含堿玻璃。

圖2：TGV形成方法

4TGV FormationTest Result

為了開發(fā) TGV 形成，特別是為了驗證細(xì)間距通孔，使用了 100um 至 200um 薄玻璃 (ENA1)。經(jīng)過優(yōu)化工藝參數(shù)，包括高壓通過放電噴射玻璃熔融區(qū)域，這種TGV成型方法可以為超薄玻璃加工出完整的通孔。圖3顯示了100um TGV間距的結(jié)果。圖 4 顯示了更細(xì)的間距，100um 薄玻璃為 50um。通孔直徑最小可達20um。

圖 3：180um 薄玻璃的 100um TGV 節(jié)距

圖 4：100um 薄玻璃的 50um TGV 節(jié)距

為了驗證與玻璃厚度相關(guān)的工藝能力，使用了標(biāo)準(zhǔn)厚玻璃，例如300um至500um。圖5為300um厚玻璃的TGV形成結(jié)果，圖6為500um厚玻璃的TGV形成結(jié)果。對于 300um 厚玻璃的TGV，頂部直徑約為 60um，底部直徑約為40um。對于 500um 厚玻璃的 TGV，直徑略有增加。

比300um厚玻璃的結(jié)果更大（頂部直徑約為65um，底部直徑約為45um），因為放電的輸出功率較高，可以噴射出更大的熔融區(qū)域。圖 5（b）和圖6顯示TGV側(cè)壁經(jīng)過火拋光后變得光滑，因為放電過程使玻璃局部受熱并被高溫熔化。

(a) SEM觀察（60um TGV，120um間距）

(b) 橫截面觀察（300um 厚玻璃）

圖 5：采用300um 玻璃的 TGV

圖 6：橫截面觀察（500um 玻璃的 TGV）

5TGV 金屬化

對于玻璃中介層，應(yīng)考慮與后工藝的協(xié)調(diào)，因為它會影響TGV形成的性能和工藝參數(shù)。探索了使用導(dǎo)電漿料的獨特通孔填充方法。圖7顯示了使用導(dǎo)電漿料技術(shù)的金屬化 TGV 的一些示例。使用導(dǎo)電漿料的優(yōu)點之一是固化后的導(dǎo)電過孔的CTE可以調(diào)整并使其接近基材。經(jīng)過銅漿填充工藝優(yōu)化后，確定了50um 金屬化 TGV，間距為 130um。這些都是密封過孔。就電性能而言，電導(dǎo)率約為1.6 至 1.9 m*歐姆/平方。

(a)金屬化TGV（60um TGV，200um間距）

(b)金屬化TGV（密封通孔）

圖 7：金屬化 TGV 示例

在玻璃上的RDL評估方面，測試了TiW和Cr兩種晶種材料，并通過拉力測試和剝離測試評估金屬化在玻璃上的附著力。晶種材料濺射后，在玻璃上進行鍍銅。圖8顯示了拉力測試的樣品，圖9顯示了拉力測試的結(jié)果（ENA1-Cr-Cu）。圖10為剝離試驗示意圖，表3為剝離試驗結(jié)果。ENA1-TiW-Cu和ENA1-Cr-Cu表現(xiàn)出足夠的剝離強度。尤其是ENA1-Cr-Cu表現(xiàn)出更高的剝離強度。從拉力測試的結(jié)果來看，ENA1-Cr-Cu也表現(xiàn)出了足夠的強度。

圖8：拉力測試樣本

圖9：拉力測試結(jié)果

圖 10：剝離測試

6未來發(fā)展

應(yīng)評估 TGV 基板的電氣和機械性能。此外，應(yīng)評估使用 TGV 基板的 2.5D/3D 封裝的第一級和第二級互連的可靠性。對于薄玻璃中介層，應(yīng)探索TGV玻璃基板的處理。從實現(xiàn)低成本玻璃中介層的角度來看，該處理解決方案應(yīng)該與現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施相協(xié)調(diào)。

7結(jié)論

采用聚焦放電法等獨特的玻璃微加工技術(shù)，研究了無堿玻璃（EN-A1）的TGV形成。聚焦放電法顯示出50um細(xì)間距TGV可用于100um以下厚度的玻璃，預(yù)計可應(yīng)用于2.5D/3D玻璃中介層。

聚焦放電法顯示了標(biāo)準(zhǔn)厚玻璃的 TGV 形成能力，預(yù)計可應(yīng)用于各種 3D 封裝。加工了 300um至500um厚的ENA1玻璃。金屬化 TGV 通過使用導(dǎo)電漿料技術(shù)進行了演示。該方法顯示了 130um 間距填充 50um 通孔的能力。

TiW 和 Cr 作為 ENA1 上直接鍍銅的種子層進行評估。ENA1-Cr-Cu表現(xiàn)出更高的剝離強度。