TGV技术中成孔和填孔工艺新进展

上期介绍了TGV技术的国内外发展现状，今天小编继续为大家介绍TGV关键技术新进展。TGV工艺流程中，成孔技术，填充工艺为两大核心难度较高。

成孔技术

TGV成孔技术需兼顾成本、速度及质量要求，制约着TGV技术的发展。经过多年的积累，业界及学界许多研究工作都致力于研发低成本、快速可规模化量产的成孔技术，追求高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好的TGV质量目标。TGV通孔的制备方法包括喷砂、机械钻孔、干法刻蚀、湿法腐蚀、聚焦放电等，目前，激光诱导刻蚀法具有高速度、无需掩膜等优点，或将成为未来主流。

1）磨料喷射加工(AJM)

AJM利用磨料喷流对玻璃基板表面进行处理，玻璃材料因脆性侵蚀产生裂纹和碎片，最终形成特定的孔状形状。AJM工艺通常使用Al2O3、石榴石、SiC或金刚石颗粒等磨料，用于加工大尺寸、高厚度的多种基材，如金属、玻璃、陶瓷、聚合物和复合材料，能够制备盲孔和通孔，成孔过程中需要在玻璃基板表面上沉积抗磨料颗粒的金属或聚合物保护未加工区域。AJM是一种非热加工方法不影响材料性能，可在无尘环境中使用，包括磨料浆喷射、磨料水喷射和磨料空气喷射工艺，广泛应用于半导体制造、电子器件、微流体通道和微机电系统(MEMS)。

AJM在玻璃切割和钻孔领域的研究相对成熟，冲击角、喷射压力、喷嘴距离、喷嘴内径和磨料在喷射中的质量百分比是主要的工艺参数，目前Al2O3是主要的磨料，粒径从5μm到100μm不等，磨料越小TGV内粗糙度越小，通常AJM在空气环境中成孔速度为0.1μm/s~32μm/s，在浆液环境中成孔速度为0.6μm/s~4.4μm /s，单面成孔形态为锥形孔，正反面对称加工成孔形态为双锥形通孔，更适合处理大尺寸、厚玻璃基板中的低视角比的TGV。

2）电化学放电加工(ECDM)

ECDM是一种利用火花放电产生的高温和冲击使熔化的玻璃从基板飞溅出去，在玻璃中形成通孔的成孔方法，成本较低，是比较理想的加工玻璃等非导电硬脆性材料的加工方式。玻璃通孔的内壁经过火焰抛光，直到非常光滑，残余应力通过后处理退火来消除，可对厚度100μm~500μm的石英、钠钙硅和无碱玻璃加工成孔，而不需要面罩或无尘环境，为防止厚玻璃在钻孔过程中会产生更多的玻璃溅射，最优的加工厚度为100μm至200μm。ECDM成孔时间为0.2秒~0.5秒，并可通过多个放电端口同时执行，处理的孔径和形貌与电极尺寸和表面粗糙度有关。

在熔融石英衬底上制造 3D 电感器的示意图，(a) 熔融石英衬底，(b) 通过 ECDM 制造的 TGV，(c) 粘合到载体衬底的衬底，(d) 电镀铜，(e) 抛光掉铜种子层，(f) 两侧沉积 Ti/Cu 层，(g) 两侧光刻以确定RDL模具，(h) 电镀铜、光刻胶去除和种子层湿法蚀刻

图源：Recent Progress of TGV Technology for High PerformanceSemiconductor Packaging，Joumal of Welding and Joining 作者：Beom Chang Seok, Jae Pil Jung

DOI：https ://doi.org/10.5781/JWJ.2024.42.2.2

3）光敏玻璃成孔技术

光敏玻璃是通过将光敏剂引入玻璃体中，形成的一种感光玻璃，光敏玻璃成孔是将光敏玻璃在特定波长的光线下发生化学反应，再经过热处理后完成指定区域的改性，经化学蚀刻后成型TGV。常用的光敏玻璃，如2016年肖特开发的FOTURANI玻璃，在紫外线照射下会发生光化学反应，将玻璃加热至500-600°C结晶化处理，再用氢氟酸蚀刻改性的玻璃基板，其速率比未改性区域高20-50倍。光敏玻璃可以通过紫外激光照射或无掩膜改性，这两种加工方法都能够加工深宽比超过8的TGV，孔道内壁具有良好的垂直度(倾角低至1°)和粗糙度(小于1μm)。光敏玻璃成孔技术中曝光均匀性不佳和曝光时间增加等问题，对光敏玻璃通孔质量易造成影响，而玻璃基板的高成本和加工的复杂性等问题也是当前面临的技术应用挑战。

4）激光烧蚀(LD)

LD是通过热冲击和烧蚀形成低直径和高深宽比的TGV成孔技术，利用玻璃基板对特定波长的激光的强吸收特性，将激光束聚焦在基板表面，使玻璃气化或者离子化，如图1所示。用于TGV工艺的常用激光器包括红外CO2激光器、紫外UV-YAG激光器和ArF准分子激光器。LD可实现快速加工，适合大规模生产，但在激光加工热应力的作用下TGV内部易形成微裂纹等损伤和边缘易凸起等缺点。可通过在玻璃表面添加有机层以减少激光损伤，将玻璃浸入冷却液体中减少热冲击，加工前对玻璃进行预热，或使用较短的脉冲激光等工艺改善。

图1 LD工艺简图

5）激光诱导深度蚀刻(LIDE)

激光诱导深蚀刻技术使用激光改性玻璃基板以形成待刻蚀区域，将玻璃基板置于氢氟酸或碱性溶液中刻蚀，激光诱导区域的蚀刻速率远远高于其他区域，从而形成通孔。与氢氟酸相比，碱性的蚀刻率较低，但更易形成具有高长宽比的近垂直通孔。石英玻璃和硼硅酸盐玻璃的蚀刻率高于其他类型的玻璃，可以加工直径小于7μm、深宽比高达50、70甚至100的玻璃通孔。通过多个LIDE工艺，可以实现同一玻璃基板上不同直径的通孔和盲孔的集成，如图2所示。LIDE工艺加工大尺寸的通孔时间长，效率低，加工前需要对盲孔设定点间距，这些盲孔连接起来形成空腔。腔体的处理时间取决于激光诱导的点间距和激光的行进速度，点间距越大，空穴底部的粗糙度越高(Ra>0.1μm)，而过小的点间距会导致激光感应过程中玻璃内部的积热问题，影响加工结果。

图2 玻璃基板上不同直径的通孔和盲孔

LIDE适用于处理任意尺寸和间距的孔道或盲孔阵列。它能够通过封闭连接间隔紧密的孔(1-10μm)来创建任何形状的腔或大孔。成孔质量均匀，一致性好，无裂纹;成孔速率快，可达到290 TGV/S；TGV形貌可调，由于刻蚀的各向异性，可以通过调节激光参数来控制 TGV的垂直度和形貌。LIDE成孔技术在速度、质量和成本方面具有多方面的优点。可处理范围广泛的TGV，与其他工艺具有高度兼容性，在三维集成和晶圆级封装领域具有很高的应用潜力。激光诱导刻蚀优势明显，已被康宁，肖特，AGC，MosaicMicrosystems，LPKF，Plan Optik，Samtec和厦门Sky-semi等企业广泛采用，在成孔技术中脱颖而出。

金属填充技术

在TGV技术中，填充导电材料是确保电气连接的关键步骤。TGV金属填充技术不仅需要确保金属在TGV内的均匀填充，还需要确保金属层与玻璃基板的紧密结合，任何不均匀、不紧密的填充都可引起导电性能及可靠性的降低。TGV技术中高质量的金属填充则是另一难点，TGV主要有盲孔、垂直通孔、X型通孔以及V型通孔四种类型，这些形状对导电材料的沉积构成了较大的挑战，容易形成孔的“堵塞”，玻璃衬底与金属层之间的分层，金属层卷曲甚至脱落的现象，通过选择合适的导电材料和优化填充工艺，可以实现高效、可靠的电气连接。常用的导电性能良好的填充材料包括铜、银或金等金属，填充方式通常包括金属导电胶填充法和电镀填充法。

1）金属导电胶填充法

金属导电胶填充材料可选用纳米银浆和导电铜浆，通电后具有可调节的CTE，与玻璃接近。金属导电胶可以通过丝网印刷和烧结填充到TGV中实现电互联或者使用3D打印工艺，使用小型喷嘴喷出金属导电胶，配合使用激光烧结胶体，形成电互联，在真空环境下，可以避免糊状物内部的空隙。金属导电胶填充法可以实现高纵横比和高密度的TGV阵列金属化。固化后，金属导电胶的体积可能会收缩，导致TGV中的凹陷缺陷，通过重新填充糊状物或研磨玻璃基板来去除该凹陷。印刷和填充过程后，玻璃基板表面仍有残留物，烧结后，需要对玻璃的表面进行抛光等处理，以提高其表面清洁度。 金属导电胶填充法在TGV金属化的应用研究较少。Iwai等人利用铜锡导电填料填充TGV，经真空热压完成烧结，实现多层玻璃基板内通孔的垂直互连。Takahashi等人通过3D打印和丝网印刷在直径为50μm、间距130μm的TGV内实现了导电铜膏的填充，其中铜膏的表面电阻率约为1.6-1.9 Ωm/sq。 厦门大学陈力等人使用导电银棒在400微米厚的BF33玻璃基板上成功填充了50微米和100微米直径的TGV。填充的通孔没有气泡等缺陷，并且过孔内的银膏的电阻率为2.56×10-7Ω·m。唐平高等人利用喷墨打印填充盲孔，对填充金属液后的盲孔进行真空干燥处理，形成所述金属填充层，再减薄玻璃衬底厚度，形成能够贯穿玻璃衬底的通孔，减少整体制备时间，提高生产效率。 通常，金属导电胶的导电性低，并且在烧结过程中其电阻率变化。金属导电胶填充法适用于应用具有低电互连标准或高纵横比的TGV金属化，但工艺稳定性仍有待提高。

2）磁控自组装方法

针对不同的纵横比和倾斜角度的TGV金属化，Laakso等人采用磁场辅助的自组装方法，将镍线固定在TGV内，实现电气互连。切割的镍线在磁场作用下进入到玻璃通孔中，采用SOG技术填充孔洞，并用甲基硅氧烷固化，固化后，在正面布线完成后，使用背面湿法蚀刻来薄化晶片并去除镍线，从而完成TGV金属化。这种方法能够实现具有高密度、高纵横比和低电阻值的TGV金属化，同时可确保金属棒与各种内壁形态和粗糙通孔的兼容性，调整金属棒和SOG的成分可以缓解TGV中的感热失谐问题。该工艺对磁场控制技术有严格的要求，磁控制导线的长度必须大于宽度才能实现正确的定向，由于蚀刻剂需穿透SOG和TGV的侧壁，给HF蚀刻薄化晶片增加了难度，通常采用化学机械研磨方法实现晶片减薄。

3）电镀法

电镀法填充是一种在TGV内壁进行金属化处理的技术，主要包括：

金属化前处理，通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积CVD等技术在孔壁上形成一层薄的导电层（如种子层），对玻璃通孔进行预处理，以提高金属化的附着力和均匀性，种子层材料可以是Ti/Cu、Cr/Cu等；

电镀填孔，将玻璃通孔放入电镀槽中，并注入适当的电解液，通过电流的作用，在孔壁上沉积形成金属层，电解液的选择对电镀层的质量和性能有重要影响，电镀时间以及电流的密度是影响金属层厚度和均匀性；

电镀后处理，通过湿腐蚀和CMP等方法去除残留的电解液和杂质，对金属层进行后处理，如抛光、清洗等，去除杂质、提高表面光洁度和耐腐蚀性。

当前，TGV电铸铜实心填充主要有3种方法，一种是借助新型镀铜添加剂并配合电流密度调整，实现通孔1/2处在电铸过程中加速生长并发生桥接，从而将TGV填充转换为2个盲孔填充。第二种是先双面保形电铸加厚侧壁铜层，随后更换镀液填实一端孔口，这种填充方式也称为“蝶形填充 (butterfly mode1)”。第三种也是最为常见的方法，通过将双面TGV固定在阴极上或预先填充某侧孔口使之转变成盲孔，再以“自下而上(bottom-up)”方式进行实心填充。由于继承了TSV镀铜工艺技术的基础，自下而上的镀铜实心填充在电学特性、热力学可靠性、工艺开发难度等方面更具优势。 TGV孔径相对比较大且多为通孔，增加了电镀法填充电镀时间和成本，并且由于玻璃表面平滑，与铜的黏结力较差，玻璃基板与金属层之间的出现分层现象，甚至出现金属层的脱落，同时电铸铜添加剂作用机理复杂，且添加剂成本高昂。 为解决以上问题，研究者从种子层、电解液等方面开展了大量工作。CN113066758B提供了一种TGV深孔填充方法，对玻璃基板以及玻璃通孔进行腐蚀后再填充，可在一定的程度上防止种子层脱落，保证填充效果；CN116913861A公开了一种TSV/TGV微通孔金属化方法，通过设置多段电流密度和时间，调整通孔两端的电力线密度，精准控制桥连位置，完成多种方法的部分实心填充。Tanaka等人针对深度为300μm、底部直径为60μm、顶部直径为40μm的TGV完成了部分电镀填充，并通过对电流分布的模拟分析研究了电镀法填充的可行性。在此基础上制备的共面波导（CPW）中，TGV在30GHz下的插入损耗为0.2dB。王等人采用双面铜共同电镀工艺实现了X形TGV的填充，在-40°C至125°C的100次热循环实验中，在关键部位未观察到裂纹等缺陷。这表明电镀填充TGV工艺在制备MEMS器件方面具有良好的应用前景。厦门大学陈力等人实现了纵横比为7的玻璃盲孔电镀和纵横比为4的双面TGV电镀。

面临的技术问题与挑战

近年来，由于玻璃材料的易碎性和化学惰性，当前已有的TGV技术都还存在许多问题，距离实际应用和大规模的量产，还有很长的路要走。截至目前，TGV通孔技术发展在制造和应用过程中面临着一系列技术问题和挑战。主要包括： 1）成孔技术难度大，目前缺乏类似TSV的深刻蚀工艺，难以快速制作高深宽比的TGV。现有的方法仍存在损伤玻璃，造成表面不光滑，生产良率低、加工效率低，无法实现大规模量产等问题难以解决； 2）TGV的高质量填充技术，与TSV不同，TGV孔径相对比较大且多为通孔，电镀时间和成本将增加。目前填孔工艺的难点，一方面是孔径与孔深的精准控制，填孔工艺中需确保填孔尺寸和深度的准确性，从而保证金属填充能够完全覆盖通孔，并且实现均匀的填充量，这就需要通过精确的工艺参数设定和先进的设备技术来实现。另一方面是填孔材料选择，在TGV技术中，填孔材料它不仅要与玻璃基板具备良好的相容性，还需提供出色的粘附性和导电性。在材料的选择上，需综合考虑其热膨胀系数、化学性质以及成本效益等多方面因素，确保所选填孔材料能够满足TGV技术的严格要求。 3）缺乏可靠性数据，当前各个厂家TGV技术的制备方法不尽相同，产品良率和成本的控制是大家共同面临的挑战。亟需建立一个可行的商业生产生态系统，统一标准化生产、组装和测试工艺方法和设备，形成稳定的制备工序，建立TGV技术可靠性数据库。 4）层数限制：随着技术的不断发展，对TGV的要求越来越高，特别是在多层结构的应用中。然而，由于玻璃基板的材料特性和TGV技术的限制，其层数受到一定的限制。层数过多会导致结构复杂、加工难度大、成本增加等问题。因此，如何在保证性能的前提下提高层数成为了当前面临的一个重要问题。 为了解决这些问题和挑战，需要不断加强国内TGV技术的研发和工艺优化，提高TGV产品质量和性能；同时，也需要关注市场需求和国内外TGV技术趋势的变化，不断调整产品结构和生产策略。