随着半导体电路集成度越来越高，进而对封装技术提出新的要求，TSV技术已不能满足多器件、多芯片的高性能互联要求。TGV技术凭借其高频电学特性、制造生产流程简单、成本低、机械稳定性强等应用优势，开始在3D集成半导体封装等领域受到关注。在阅读本文之前，欢迎识别二维码申请加入玻璃基板TGV产业链微信群。
近年来，信息化和数字化迅猛发展，人工智能、大数据和云计算需要更强大的计算能力，相应的半导体电路集成度越来越高，进而对封装技术提出新的要求。先进封装技术具有更高的I/0密度、更快的信号传输速度和更好的电热性能，在提高芯片性能的同时，还降低了芯片功耗和体积、提升了可靠性和生产效率。
芯片封装关键在于芯片基板固定的晶片数量，数量越多，芯片的晶体管就越多，功能随之更强，性能也更好。因此，如何在有限的尺寸容纳更多的晶体管就成为了整个行业不断探索的发展方向。当前最主流的芯片基板是有机材料基板，因加工难度小，生产成本较低，在芯片封装领域已经被应用多年。随着全球算力需求升级，2.5D/3D、Chiplet等先进封装技术持续发展，芯片对信号传输速度、功率传输效率、基板稳定性的要求也不断提高，当前行业主要采用的有机材料基板将达到容纳极限，其相对粗糙的表面会影响超精细电路的固有性能，在先进封装中面临焊点可靠性、封装散热等问题。此外有机材料在芯片制造过程中可能会发生收缩或翘曲，导致芯片产生缺陷，随着更多的硅芯片被封装在塑料基板上，翘曲的风险也会增加，因此传统有机材料基板已经不能满足高性能芯片的封装需求。
先进的半导体封装使用多种技术更高效地将IC芯片组合在封装中。（图源：Ansys）
玻璃基板相较于传统有机基板在机械、物理、光学等方面都有显著优势，开始在先进封装领域受到关注。
玻璃基板在先进封装技术应用中的核心是TGV技术。TGV与TSV相对应，作为一种可能替代硅基板的材料被认为是下一代三维集成的关键技术，是对TSV技术的升级。目前，TGV以高品质的硼硅玻璃、石英玻璃为基材，通过种子层溅射、电镀填充、化学机械平坦化、RDL再布线，bμmp 工艺等先进技术实现3D互联。先进封装领域的各种应用中，每片晶圆上通常需要数万个10μm-100μm直径的TGV 并对其进行金属化，以获得所需要的导电性。
TGV技术发展和应用前景广阔，特别是在射频芯片、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域具有独特优势，被认为是下一代5G、6G高频芯片3D封装的首选之一，随着技术的进步和市场的推动，TGV有望在未来的半导体封装领域扮演更加重要的角色。
近年来，TGV技术逐渐向市场需求的产品转变，根据 VMR的统计及预测，2023年全球玻璃通孔基板（TGV基板）市场规模达到1.28亿美元，预计到2030年将增长至4.78亿 美元，复合年增长率为20.97%。其中，美国是最大的TGV 晶圆市场，拥有约46%的市场份额，欧洲其次，约占25%的市场份额，美国康宁、德国乐普科LPKF、美国申泰（Samtec）、日本Kiso Micro和泰库尼思科（Tecnisco）等厂商在TGV技术市场中占有率超过70%。全球玻璃基板、TGV核心技术及高端产品仍掌握在国外先进企业中。
英特尔于2023年9月推出基于下一代先进封装的玻璃基板开发的最先进处理器，已计划量产，TGV节距75μm，再次重新定义了芯片封装的边界，推动了摩尔定律进步。
英特尔组装的玻璃基板测试晶片的球栅阵列侧（图源：英特尔）
三星预计在2026年面向高端SiP（System-in-Package）量产玻璃基板。
目前，日本DNP的TGV技术，高纵横比已从最 初的9:1提升至20:1，其自主研发的微加工技术、精密涂布技术等核心技术，为先进半导体玻璃基板封装提供了必要支持，DNP将在2027年大规模量产TGV玻璃基板。
日本 Nanosystems半导体公司开发的TGV技术为300mm玻璃晶圆和510x510mm的玻璃基板提供了2.5D方案，高纵横比达 20:1，可支持AI芯片高密度互连，孔径可达5-10μm，支持 50-100μm玻璃基板打孔/制造盲孔。
德国乐普科LPKF开发的高性能激光系统，率先采用激光诱导刻蚀技术实现了玻璃通孔高精度、高效率的制备，并且不会对玻璃产生任何微裂隙、无碎屑、无热应力残存。
当前，国内玻璃基板仍处于早期探索阶段，整个产业链正在从小规模示范向着大批量制造平稳过渡方向前进。国内在玻璃基板封装领域势头迅猛，与国外的差距主要体现在生产设备水平上，而从TGV工艺技术、开发角度来看，国产厂商有望在全球市场上取得更加显著的成绩，近两年，总体TGV技术发展和产能增速高于全球平均水平。国内厂商沃格光电、厦门云天半导体、赛微电子、天承科技等在玻璃基板和TGV领域展开深入研究，并取得一定的成果和突破。
沃格光电是国内玻璃基板领先企业，具备行业领先的玻璃薄化、TGV、溅射铜以及微电路图形化技术，拥有玻璃基巨量微米级通孔的能力，最小孔径可至10μm，厚度最薄可达50μm，线宽线距小至8μm。
2022年帝尔激光开发的 TGV激光微孔装备实现了首台TGV玻璃通孔激光设备出货。
厦门云天半导体开发了先进TGV激光刻蚀技术，可以在50-500μm厚的玻璃基板上形成孔径7μm的玻璃通孔/盲孔，具有较好的表面和孔内粗糙度、孔型圆度，主要面向 MEMS、Fluidic. PCR、Inkjet、CPO应用。
厦门云天展出的微流控晶圆
在TGV技术方面具有国际领先水平的赛微电子，开发了玻璃通孔MetVia TGV技术，能够在先进的三维集成电路中实现多层芯片之 间的互联。
2024年天承科技公司成功开发出用于 TGV的 SkyFab THF 系列产品，完成 TGV通孔技术相关的电镀添 加剂研发。
合肥中科岛晶针对玻璃晶圆的高绝缘性、低介电常数、高精度的特性，系统开展了玻璃基异质异构集成 混合工艺的开发，目前，公司开发了面向玻璃晶圆精密加工的激光诱导刻蚀、喷砂等多种工艺，实现了玻璃漏斗孔、 垂直孔、盲孔的均一性制作，以及微孔金属填充。同时，合肥中科岛晶将持续深入开展围绕TGV技术的混合封测工艺 开发，以应用于高速电信号传输、高密度集成的Chiplet Al 芯片的微系统封装。
三叠纪在TGV板级封装等领域已和德国SCHOTT、水晶光电、锦艺新材等各行业龙头企业签署了战略合作协议。
2024年深光谷科技联合上海交通大学和深圳大学开发了晶圆级TGV光电interposer工艺，实现了国产首个8英寸晶圆级TGV interposer加工，实测带宽达到 110GHz。
随着国内在半导体封装领域的发展和创新，以及对TGV技术的积极探索和应用，国内半导体产业有望在未来取得更大的发展成果。
作者：杜秀红， 胡恒广（东旭集团, 北京 100053）
文章编号：1003-8965（2024）S1-0024-06
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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：TGV互联技术的机遇与挑战（一）
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