先进封装工艺之TGV 玻璃通孔

作者：Semicon Solutions & 树先生

如果您是我们的老朋友，相信已经对硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术有一定的了解。如果不清楚可以查看我们公众号艾邦半导体里的视频及文章。在先进封装领域中，无论是2.5D封装中的interposer 还是3D封装中都要用到TSV，但是很多人可能还是第一次听说玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)这个词。玻璃通孔(TGV)潜能巨大，未来可能将是先进封装技术中的常客。本文将简要描述玻璃通孔(TGV)在先进封装的应用及发展趋势。

根据专家Semicon Solutions的观点，玻璃通孔(TGV)技术在学术界已经研究了十多年，近年来技术日趋完善。各家头部公司开始布局，并生产出一些样品应用于不同的领域包括：显示面板，医疗器械，半导体先进封装等。

今天我们主要谈谈TGV在半导体先进封装领域的应用。

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玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工艺相比TGV的优势主要体现在：

1）优良的高频电学特性。玻璃材料是一种绝缘体材料，介电常数只有硅材料的1/3左右，损耗因子比硅材料低2-3个数量级，使得衬底损耗和寄生效应大大减小，保证了传输信号的完整性；

2）大尺寸超薄玻璃衬底易于获取。Corning、Asahi以及SCHOTT等玻璃厂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获取，以及不需要沉积绝缘层，玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8；

4）工艺流程简单。不需要在衬底表面及TGV内壁沉积绝缘层，且超薄转接板中不需要减薄；

5）机械稳定性强。即便当转接板厚度小于100µm时，翘曲依然较小；

6）应用领域广泛，是一种应用于晶圆级封装领域的新兴纵向互连技术，为实现芯片-芯片之间距离最短、间距最小的互联提供了一种新型技术途径，具有优良的电学、热学、力学性能，在射频芯片、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域具有独特优势，是下一代5G、6G高频芯片3D封装的首选之一。

TGV 的成形工艺主要包括喷砂、超声波钻孔、湿法刻蚀、深反应离子刻蚀、光敏刻蚀、激光刻蚀、激光诱导深度刻蚀以及聚焦放电成孔等。近两年，国内厦门云天成功开发了先进 TGV激光刻蚀技术，实现了深宽比为 10:1 的玻璃通孔量产。

近期研发结果显示，该技术可以制备深宽比为 20:1 的通孔和 5:1 的盲孔，且具备较好的形貌。激光诱导深度刻蚀形成表面粗糙度小，是当前研究较多的方法。如图1，普通激光钻孔周围有明显裂纹，而激光诱导深度刻蚀周围及侧壁整洁光滑。

图1普通激光钻孔工艺与激光诱导深度刻蚀工艺对比

TGV interposer的加工流程如图2，整体方案为先玻璃基板上进行打孔，然后在侧壁及表面沉积阻挡层和种子层。阻挡层防止Cu向玻璃衬底扩散，同时增加两者的粘附性，当然在一些研究中也发现阻挡层不是必须的。然后采用电镀的方法将Cu沉积，接着退火，并采用CMP的方法将表面Cu 层去掉。最后采用PVD镀膜光刻方法制备RDL重布线层，去胶后最终再形成钝化层。

图2，(a) 准备晶圆，(b)形成TGV，（c）双面电镀-沉积铜，（d）退火及CMP化学机械抛光，去表面铜层，（e）PVD镀膜及光刻，（f）布置RDL重布线层，（g）去胶及Cu/Ti 刻蚀，（h）形成钝化层

我国研究院及各家公司在今年也都有爆发式进展。比如2022年年初，中科院合肥研究院智能所陈池来课题组李山博士等取得重要技术突破，团队攻克了高均一性玻璃微孔阵列制造、玻璃致密回流、玻璃微孔金属高致密填充等技术难题。我国的沃格光电旗下湖北通格微电路科技有限公司也在今年首次亮相并展出其TGV技术及相关玻璃基封装载板应用。

制造设备方面，大族激光发布了TGV制备设备，帝尔激光也在今年交付了首台TGV制备设备。

我们来看看国内外的TGV样品：图3为鈦昇科技公司拥有专利技术的TGV解决方案，通过混合激光钻孔和湿蚀刻工艺形成的TGV，可以达到无与伦比的性能。优点包括高数据吞吐量、高纵横比、侧壁无缺陷和高密度。图4 为德国肖特AF 32®eco glass 上的TGV通孔。图5为蓝特光学的TGV样品，其最小通孔直径可以做到20微米涵盖4寸，6寸，8寸和12寸晶圆。图6为Menlo Micro联手康宁打造的晶圆级键合TGV 8英寸RF MEMS晶圆。

图3 鈦昇科技生产的TGV样品

图4德国肖特AF 32®eco glass 上的TGV通孔

图5 蓝特光学的TGV样品

图6
Menlo Micro联手康宁打造的晶圆级键合TGV 8英寸RF MEMS晶圆

综上所述，玻璃通孔（TGV）应用前景广阔，而当前国内市场处于起势阶段，从设备到产品设计及研发等增速高于全球平均水平。

参考文献及网址：

1. https://www.agc.com/en/products/electoric/detail/tgv.html
   
2. https://www.sohu.com/a/331532975_100028208
   
3. 玻璃通孔三维互连镀铜填充技术发展现状 作者：纪执敬 凌惠琴 吴培林 余瑞益 于大全 李明
   
4. Thermo-Mechanical Reliability Study of Through Glass Vias in 3D Interconnection
   

先进封装设备类似前道晶圆制造设备，供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展，Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例，主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料 电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等，因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、 刻蚀机、电镀设备、清洗机等，材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展，互通有无，欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。