一文了解玻璃通孔(TGV)技术

在电子封装领域，随着对更高集成度、更小尺寸和更强性能的追求，玻璃基板已成为一种备受关注的材料。尤其是玻璃通孔（TGV）技术，凭借其优越的电气性能和热稳定性，逐渐成为高密度互连的关键解决方案。TGV技术通过在玻璃基板中精确打孔，提供了高效的垂直互连路径，极大地提升了芯片封装的集成度与性能。随着5G、人工智能、物联网等技术的迅速发展，TGV技术的应用前景愈加广阔。本文将为您介绍玻璃通孔（TGV）技术的各基础原理及发展等。

对包括智能手机、可穿戴设备和物联网在内的小型化、多功能和连接设备的需求一直处于迅猛增长之中。这种小型化和功能性导致对高密度和高带宽互连的需求增加。用于封装的 2.5-D 和 3-D IC 集成方案是实现下一代性能要求和适用于商业产品的关键组成部分。超高数量的 I/O 连接可利用中介层实现。

中介层

中介层是用于在一个连接和另一个连接之间进行电接口路由的基板。中介层的用途是将连接扩展到更宽的节距，或将连接重新路由到具有不同节距的另一个连接。中介层代表具有大量孔（过孔）的不同幅面的基板。按预期，2.5 D 中介层能够以短互连长度、低功耗和低封装成本实现高互连密度。对高互连密度的需求会产生对高密度过孔的需求。

中介层用于开发多个 IC 在单个平台/封装上的异构集成。中介层还可在封装或电路板上实现密集 IC，尤其是涉及极小的 I/O 节距和线距时。高性能应用要求当前的这些中介层技术在极细节距下具有高 I/O、高尺寸稳定性、极低的翘曲、高温稳定性和低CTE失配。 玻璃中介层 最突出和最广泛使用的中介层类型之一是硅通孔——TSV 中介层。除了硅和有机材料，玻璃也被认为是制造用于高性能应用的中介层的合适材料。作为材料的玻璃和由其制造的玻璃中介层可实现出色的尺寸稳定性、与硅片紧密匹配且可定制的热膨胀系数 (CTE)、高热稳定性以及高电阻率。 玻璃的成分可以改变——允许针对特定应用定制玻璃特性。与硅相比，玻璃具有使其成为射频元件的理想基板的诸多特性，例如：超高电阻率和低电损耗。这些特性使玻璃成为用于中介层的新兴基板技术的尤具吸引力的候选者。

玻璃晶圆和玻璃面板幅面 此外，玻璃可以以晶圆形式以及面板幅面制造。包括超薄变体在内的各种厚度均可实现。熔融成型工艺能够形成大幅面（尺寸 >1 m）的高质量基板。除了扩大玻璃基板尺寸外，还可以提供厚度低至 ~100 µm 的超薄柔性玻璃。提供 100 µm 厚度的晶圆或面板幅面的大型基板为降低玻璃中介层的制造成本提供了重要机会。 玻璃中介层的一个成熟应用领域是射频封装。它基于玻璃的特殊属性，例如低电损耗，尤其是在高频率下。由于相对较高的刚度和调整热膨胀系数的能力，在管理玻璃芯基板和粘合叠层中的翘曲方面颇具优势。

晶圆级封装是保证 MEMS 器件寿命和可靠性的关键技术。TSV 技术经常被用于 MEMS 封装。在使用玻璃制造传感器作为盖帽晶圆的情况下，可以利用玻璃通孔提供通过玻璃基板的垂直连接。利用整个玻璃面板或其中一部分的新型封装基板正处于开发之中。这种类型的封装基板已应用于光子学封装、高性能计算等领域。 用作芯片嵌入的基板时，玻璃可提供现有晶圆级扇出 (WLFO) 封装技术不具备的诸多优势。得益于玻璃的光滑表面和高尺寸稳定性，即使在大型面板上也能实现类硅再分布层 (RDL) 布线和类 BEOL I/O，将超高 I/O 和低成本的优势集于一身。玻璃的 CTE 可以定制，因而可以直接连接至电路板。与塑封料相比，玻璃还具有高电阻率、出色的防潮性和高表面光滑度。 玻璃通孔 (TGV) 玻璃中介层代表玻璃基板中具有大量孔，而这些孔反过来又通过玻璃基板提供垂直电连接。它们被称为玻璃通孔 (TGV) 基板。在玻璃基板中制造的过孔可以是盲孔或通孔。过孔可以制造成不同的直径和形状。还有其他重要参数，例如过孔的纵横比和锥角。纵横比是过孔直径与过孔深度的关系。锥角是定义过孔开口的角度。

制造玻璃通孔

形成通孔对于中介层至关重要。TGV 基板是结合激光和蚀刻技术制造的。激光对玻璃进行改良，从而弱化预定义区域的结构。它可以提高这些改良区域相比周围材料的蚀刻率。这个过程被称为激光诱导蚀刻。该过程不会在玻璃上产生任何裂缝，并可在材料中产生盲孔和通孔。先进的激光加工和蚀刻技术能够建立非常高的纵横比。典型的过孔直径为 20 - 100 微米，典型的纵横比为 1:4 - 1:10。

锥角

高性能计算、第五代 (5G) 通信和物联网 (IOT) 应用对带宽日益增加的需求推动了向 2.5D 和 3D 中介层的迁移，这需要更少的高频损耗和更高的孔深/尺寸比来实现垂直互连，进而需要高纵横比的 TGV。此外还需要大量紧密定位的过孔——高密度过孔。为了在同一区域获得高密度的过孔，要求每个过孔占用极小的空间。这种要求会导致需要较小的锥角，因此以较大的锥角为特征的大开口过孔变得不利。

为了获得高纵横比的孔，需要高选择性的蚀刻工艺。在某些情况下——取决于玻璃的选择——用酸蚀刻就已足够。但在许多其他情况下，酸性蚀刻的结果并不符合要求，因为蚀刻速度非常快。这会导致工艺选择性低，无法实现高纵横比，造成更大的锥角。