先進(jìn)封裝工藝之TGV 玻璃通孔

如果您是我們的老朋友，相信已經(jīng)對(duì)硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技術(shù)有一定的了解。如果不清楚可以查看我們公眾號(hào)艾邦半導(dǎo)體里的視頻及文章。

在先進(jìn)封裝領(lǐng)域中，無(wú)論是2.5D封裝中的interposer 還是3D封裝中都要用到TSV，但是很多人可能還是第一次聽(tīng)說(shuō)玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)這個(gè)詞。玻璃通孔(TGV)潛能巨大，未來(lái)可能將是先進(jìn)封裝技術(shù)中的常客。本文將簡(jiǎn)要描述玻璃通孔(TGV)在先進(jìn)封裝的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)專(zhuān)家Semicon Solutions的觀點(diǎn)，玻璃通孔(TGV)技術(shù)在學(xué)術(shù)界已經(jīng)研究了十多年，近年來(lái)技術(shù)日趨完善。各家頭部公司開(kāi)始布局，并生產(chǎn)出一些樣品應(yīng)用于不同的領(lǐng)域包括：顯示面板，醫(yī)療器械，半導(dǎo)體先進(jìn)封裝等。

今天我們主要談?wù)凾GV在半導(dǎo)體先進(jìn)封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工藝相比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(chǎng)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??；

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，是一種應(yīng)用于晶圓級(jí)封裝領(lǐng)域的新興縱向互連技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)芯片-芯片之間距離最短、間距最小的互聯(lián)提供了一種新型技術(shù)途徑，具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統(tǒng)集成等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是下一代5G、6G高頻芯片3D封裝的首選之一。

TGV 的成形工藝主要包括噴砂、超聲波鉆孔、濕法刻蝕、深反應(yīng)離子刻蝕、光敏刻蝕、激光刻蝕、激光誘導(dǎo)深度刻蝕以及聚焦放電成孔等。近兩年，國(guó)內(nèi)廈門(mén)云天成功開(kāi)發(fā)了先進(jìn) TGV激光刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了深寬比為 10:1 的玻璃通孔量產(chǎn)。

近期研發(fā)結(jié)果顯示，該技術(shù)可以制備深寬比為 20:1 的通孔和 5:1 的盲孔，且具備較好的形貌。激光誘導(dǎo)深度刻蝕形成表面粗糙度小，是當(dāng)前研究較多的方法。如圖1，普通激光鉆孔周?chē)忻黠@裂紋，而激光誘導(dǎo)深度刻蝕周?chē)皞?cè)壁整潔光滑。

圖1普通激光鉆孔工藝與激光誘導(dǎo)深度刻蝕工藝對(duì)比(圖片來(lái)源：LPKF）

TGV interposer的加工流程如圖2，整體方案為先玻璃基板上進(jìn)行打孔，然后在側(cè)壁及表面沉積阻擋層和種子層。阻擋層防止Cu向玻璃襯底擴(kuò)散，同時(shí)增加兩者的粘附性，當(dāng)然在一些研究中也發(fā)現(xiàn)阻擋層不是必須的。然后采用電鍍的方法將Cu沉積，接著退火，并采用CMP的方法將表面Cu 層去掉。最后采用PVD鍍膜光刻方法制備RDL重布線(xiàn)層，去膠后最終再形成鈍化層。

圖2，(a) 準(zhǔn)備晶圓，(b)形成TGV，（c）雙面電鍍-沉積銅，（d）退火及CMP化學(xué)機(jī)械拋光，去表面銅層，（e）PVD鍍膜及光刻，（f）布置RDL重布線(xiàn)層，（g）去膠及Cu/Ti 刻蝕，（h）形成鈍化層

我國(guó)研究院及各家公司在今年也都有爆發(fā)式進(jìn)展。比如2022年年初，中科院合肥研究院智能所陳池來(lái)課題組李山博士等取得重要技術(shù)突破，團(tuán)隊(duì)攻克了高均一性玻璃微孔陣列制造、玻璃致密回流、玻璃微孔金屬高致密填充等技術(shù)難題。我國(guó)的沃格光電旗下湖北通格微電路科技有限公司也在今年首次亮相并展出其TGV技術(shù)及相關(guān)玻璃基封裝載板應(yīng)用。

制造設(shè)備方面，大族激光發(fā)布了TGV制備設(shè)備，帝爾激光也在今年交付了首臺(tái)TGV制備設(shè)備。

我們來(lái)看看國(guó)內(nèi)外的TGV樣品：圖3為鈦昇科技公司擁有專(zhuān)利技術(shù)的TGV解決方案，通過(guò)混合激光鉆孔和濕蝕刻工藝形成的TGV，可以達(dá)到無(wú)與倫比的性能。優(yōu)點(diǎn)包括高數(shù)據(jù)吞吐量、高縱橫比、側(cè)壁無(wú)缺陷和高密度。圖4 為德國(guó)肖特AF 32?eco glass 上的TGV通孔。圖5為T(mén)GV樣品，其最小通孔直徑可以做到20微米涵蓋4寸，6寸，8寸和12寸晶圓。圖6為Menlo Micro聯(lián)手康寧打造的晶圓級(jí)鍵合TGV 8英寸RF MEMS晶圓。

圖3 鈦昇科技生產(chǎn)的TGV樣品

圖4 德國(guó)肖特AF 32?eco glass 上的TGV通孔

圖5 的TGV樣品

圖6 Menlo Micro聯(lián)手康寧打造的晶圓級(jí)鍵合TGV 8英寸RF MEMS晶圓

綜上所述，玻璃通孔（TGV）應(yīng)用前景廣闊，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)處于起勢(shì)階段，從設(shè)備到產(chǎn)品設(shè)計(jì)及研發(fā)等增速高于全球平均水平。

作者：Semicon Solutions & 樹(shù)先生

參考文獻(xiàn)及網(wǎng)址：

1. https://www.agc.com/en/products/electoric/detail/tgv.html

2. https://www.sohu.com/a/331532975_100028208

3. 玻璃通孔三維互連鍍銅填充技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 作者：紀(jì)執(zhí)敬 凌惠琴 吳培林 余瑞益 于大全 李明

4. Thermo-Mechanical Reliability Study of Through Glass Vias in 3D Interconnection

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝工藝之TGV 玻璃通孔