玻璃通孔(TGV)技术在传感器制造和封装中的应用

玻璃具有优异的性能，例如高几何公差、出色的耐热和耐化学性、优异的高频电性能以及密封性，已成为各种传感器和 MEMS 封装应用（包括机电、热、光学、生物医学和射频设备）的高度通用基板。在这些应用中，玻璃通孔 （TGV） 技术通过玻璃基板建立电互连，在制造和封装中起着至关重要的作用。

TGV在传感器应用的优势

随着5G、智能汽车、医疗等行业的快速发展，电子产品越来越向便携、便捷的方向发展，为提高性能和可靠性、降低成本，传感器的制造、集成和封装研究取得了诸多进展。MEMS传感器的封装成本约占整机成本的30%，而封装的密封性和互连性对器件性能有重要影响，进而影响传感器的生产和应用。晶圆级封装具有制造效率高、器件性能优异等特点，相较于器件级封装具有减小体积、节省成本的优势。

玻璃通孔（TGV）是通过玻璃基板实现的垂直电互连，与 TSV 相对应。玻璃基板具有比普通硅和 SOI 基板更优异的电性能和更低的寄生电容，有利于扩展高频信号的传输。玻璃优异的光学性能使其更适合于微光机电系统 （MOEMS） 等光学应用。调整玻璃成分和优化表面处理可以改变基板的热膨胀系数 （CTE） 和机械强度，从而提高金属粘附性、应力控制和可靠性。

TGV 技术支持多种厚度（50 µm 至 900 µm）和大晶圆尺寸（6″ 至12 ″）和面板（510 × 515 mm 至 1500 × 800 mm）。基于玻璃的工艺更加简单，无需在 TGV 内壁沉积绝缘层，使玻璃封装基板的制造成本远低于硅基板。玻璃可以使用阳极键合和直接键合等技术键合到基板上，包括硅和其他玻璃。这些方法创造了一个稳定的真空环境，适用于加速度计和陀螺仪等惯性传感器。TGV工艺可制造和金属化高密度、高纵横比的玻璃通孔，从而能够在保持高性能电气互连的同时减小设备尺寸。英特尔表示，玻璃基板技术可以将单个封装中的芯片面积增加 50%，从而可以塞入更多的芯片。与 ABF 塑料相比，它将厚度减少了约一半，从而提供更高的信号速度和功率效率。

TGV在传感器制造和封装中的应用

封装起到隔离敏感易碎的内外环境、保护内部空间、方便信号传输的作用。封装工艺对传感器，特别是MEMS传感器至关重要。晶圆键合技术和垂直互连技术是晶圆级封装技术的关键技术，对实现更小的器件尺寸、更低的制造成本和更低的功耗具有重要价值。玻璃因具有高机械稳定性、高密封性、高透明度和低热导率等独特性能，被广泛应用于传感器封装。在传感器封装中，它可以作为盖帽衬底，通过阳极键合、直接键合或金属键合与硅、SOI、玻璃或其他衬底建立高度真空密封的环境。此外，TGV技术的发展（主要包括过孔形成和金属化）使得玻璃衬底因其优越的性能优势在传感器封装中更受青睐。如图1所示，根据玻璃的性能，详细介绍了TGV工艺在不同类型传感器中的应用和性能。

图1 基于TGV技术的传感器玻璃的参数

1. 运动传感器

运动传感器通常用于运动检测和加速度测量。芯片需要足够的抗冲击性来保护内部微结构。玻璃具有很强的机械性能，可以提高传感器的抗冲击性。TGV技术在运动传感应用方面具有巨大的潜力。

Ma等采用玻璃转接板作为顶盖解决了TSV技术的应力问题，构建了一种基于体硅工艺的MEMS惯性传感器对称夹层结构。在400 μm厚的玻璃基板上采用喷粉技术形成盲孔，通过背面研磨抛光形成TGV，采用溅射技术沉积Al以提供TGV内的电气互连。利用光刻技术在转接板两侧形成重分布层。以BCB为黏着层将转接板黏合到MEMS加速度计晶圆上，实现加速度计的晶圆级封装。

Zhang等利用玻璃回流工艺制作以低阻硅为导电柱的玻璃盖，并通过阳极键合完成电容式陀螺仪的密封封装，测试器件的品质因数超过220 000，比未封装陀螺仪的品质因数提高了一个数量级；玻璃盖的工艺流程如图2a所示。Kuang等对玻璃回流的工艺机理进行了初步研究，并利用该方法成功封装了陀螺仪，证明了采用TGV技术结合三阳极键合进行晶圆级真空封装的可行性。

图2 （ a ） 用于与电容式陀螺仪粘合的玻璃盖的制造和封装过程；（ b ） 谐振式压力传感器

2. 压力传感器

压力传感器可分为电容式压力传感器、压电式压力传感器或谐振式压力传感器，可用于航空航天检查和大气压力传感。这些传感器通常是真空密封的，例如微谐振器，由于空气阻尼效应，机械品质因数会随着环境压力的增加而恶化。TGV 工艺在电容式压力传感器等应用方面的潜力已经得到证实。

Haque 等使用玻璃回流法生产了电容式压力传感器。晶圆在管式炉内加热，凹槽中填充熔融的玻璃以形成硅导电通孔。该工艺完成了传感器的密封并提供了电引入，无需在正面安装键合线。

Kim 等利用玻璃回流技术制作用于电气互连的硅玻璃结构晶片，证明玻璃具有良好的电气隔离作用并能最大限度地减少寄生电容。Zhenyu 等利用激光钻孔在 Pyrex 7740 玻璃上制作玻璃盖。谐振式压力传感器是通过将玻璃盖与 SOI 晶片上的 TGV 组合而成的。带有 TGV 的玻璃盖实现了真空密封和电引出，如图2b所示。制成的微压力传感器经验证 Q 因子大于 22 000 且稳定运行 5 个月，证实了真空封装和电气连接的可靠性。

3. 声学传感器

外界环境（如温度、压力、湿度等）的变化会影响传感器材料的特性，从而影响声波的传播特性（主要是声速），利用这一原理，可以通过检测声速的变化来判断外界环境的变化。

Chen 等设计了一种新型三维晶圆级封装 （3-D WLP） 解决方案，以提高大腔体表面声波 （SAW） 滤波器封装的性能和可靠性。使用 TGV 实现玻璃封盖和垂直互连，可避免排气问题并防止叉指换能器 （IDT） 受到污染。

TGV 技术在声学传感器中的应用仍然相对有限，主要集中在 CMUT 上。超声波换能器在医疗和水下勘探领域有着潜在的应用。电容式微机械超声波换能器 （CMUT） 为利用典型的集成电路制造工艺生产二维超声波换能器阵列提供了一种压电技术的替代方案。CMUT 阵列可通过倒装芯片键合和 TSV 加工与前端 IC 集成。TSV 加工是一个复杂的过程，具有高寄生电容和粗糙度，这会导致额外的应力并降低 CMUT 性能。因此，TGV 技术是一种很有前途的替代方案。

Zhang 等开发了一种通过在硼硅酸盐玻璃基板上进行阳极键合来创建真空密封 CMUT 的程序。然后使用 TGV 互连扩展了该工艺。采用激光烧蚀在 700 µm 厚的硼硅酸盐玻璃上生成通孔，入口直径为 70 µm，出口直径为 50 µm。使用铜浆填充通孔，然后烧结和抛光以形成 TGV。CMUT 阵列制造已完成，并进行了性能测试以展示设备的基本功能，尽管它们不是真空密封的。Zhang 等报道了一种使用阳极键合在硼硅酸盐玻璃基板上制造真空密封 CMUT 的工艺，并完成了如图3所示的制造工艺。证明了一种使用牺牲蚀刻的制造工艺可以克服使用与阳极键合兼容的玻璃基板的限制。

图3 基于TGV技术的声学传感器的制造和封装过程：（a）SAW滤波器；（b）CMUT

4. 光学传感器

采用晶圆级封装方法的光学元件和系统目前还比较有限。玻璃具有优异的光学和电学特性，特别适合封装光学传感器。Brusberg 等利用激光钻孔工艺在 D263T 玻璃中制作 TGV 用于 3D 互连，并集成马赫-曾德尔干涉仪 （MZI） 波导、流体通道、光电元件和硅芯片形成光学传感器。

Stenchly 等介绍了一种适用于光学元件和系统的模块化封装系统，该系统包括 TGV 中介层和玻璃盖板，通过专门的工艺在玻璃盖板上制作光学窗口，通过高温烘烤过程中的热应力实现结构倾斜，从而实现倾斜。TGV 转接板可通过玻璃回流等技术集成到玻璃转接板体内，以低电阻硅或铜作为互连材料。透过玻璃盖板与转接板的黏合，即可封装光学传感器或雷射二极管，此模块化设计具有相当的产业潜力，可应用在各种应用领域。

5. 热电传感器

玻璃因具有可调的热导率，在热电传感器的应用方面备受关注。热电传感器可将温度变化转换为电变化，可用于制作热电发电机和风速传感器，在便携式电子设备、无线传感器和医疗设备中有着巨大的应用前景。玻璃具有低热导率，与高深宽比TGV结合，可以有效增加微热电偶热端和冷端之间的温差，提高热电转换能力。

刘等利用 200µm 厚的玻璃基板制作了基于Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的微热电发电机。通过激光烧蚀形成通孔，并在器件两端的通孔中沉积Bi₂Te₃和Sb₂Te₃。200µm 厚的玻璃能够产生138K的温差，从而提供40.89mV的输出电压和19.72µW的输出功率。

与光刻胶掩模版相比，在玻璃基板上制作的热传感器具有技术和成本优势，可以更灵活地控制器件的输出电压和功率。风传感器常用于农业生产、交通运输、能量收集等领域，通过传感器检测风引起的细微温度变化可以估算出风力。微型热风传感器初始灵敏度高、加工成本低，但依靠加热进行测量，能耗较高。玻璃是一种低热导率材料，可以有效减少热量损失。依靠TGV技术，无需外部接线即可实现电气连接，满足可靠性和高性能的要求。Zhu等提出了一种热风传感器封装方案，采用玻璃回流技术实现。利用玻璃基板和TGV的性能优势，传感器的总加热功耗仅为14.5mW。

结论

玻璃基板，例如BF33和D263T硼硅酸盐玻璃，主要用于传感器封装的密封和互连。这些基板具有优异的键合性能，可使用TGV技术进行互连。光电和热电传感器可以利用玻璃基板的高透明度和低热导率来提高器件性能，而运动和压力传感器可以利用基板的机械性能和密封能力来提高器件的可靠性。玻璃优异的介电性能和损耗性能可以显著降低传输损耗，从而扩大传感器在高频和高速领域的应用范围。

但目前传感器封装通常不需要高互连密度或高纵横比互连，高频低损耗传输应用很少。因此，可以使用机械钻孔和化学加工来加工通孔，并通过浆料填充、蒸发镀或保形电镀实现电互连。键合和密封性能显著影响器件的可靠性和效率。因此，许多 MEMS 传感器采用玻璃回流技术来满足垂直互连和粘合的需求，从而无需额外的电镀和金属化工艺。