本期封面报道单位   厦门大学电子科学与技术学院

 封面文章 玻璃通孔技术研究进展

于大全教授课题组：玻璃通孔技术闪耀5G时代

中文引用格式：陈力，杨晓锋，于大全. 玻璃通孔技术研究进展[J]. 电子与封装，2021，21（4）：040101.

编者按

玻璃通孔互连技术具有高频电学特性优异、成本低、工艺流程简单、机械稳定性强等优势，在射频器件、微机电系统封装、光电系统集成等领域具有广泛的应用前景。编辑部特邀厦门大学于大全教授团队撰写《玻璃通孔技术研究进展》综述论文。文章介绍了国内外高密度玻璃通孔制作、金属填充、表面高密度布线的研究进展，并对玻璃通孔技术特点及其应用进行了总结。

1 背景介绍

随着智能手机、物联网、汽车电子、高性能计算、5G、人工智能等新兴领域的蓬勃发展，各种新的应用对先进封装提出更高的要求，硅基转接板2.5D集成技术作为先进系统集成技术，可实现多芯片高密度三维集成，易于实现异质集成，近年得到了迅猛的发展。如图1所示，通过转接板可以把多个芯片堆叠起来，完成系统级封装集成。但硅基转接板存在两个主要问题：1)成本高，硅通孔(TSV)制作采用硅刻蚀工艺，随后硅通孔需要氧化绝缘层、薄晶圆的拿持等技术；2)电学性能差，硅材料属于半导体材料，传输线在传输信号时，信号与衬底材料有较强的电磁耦合效应，衬底中产生涡流现象，造成信号完整性较差（插损、串扰等）。

图1典型硅基转接板2.5D集成的结构

作为一种可能替代硅基转接板的材料，玻璃通孔(TGV)转接板因其众多优势正在成为国内外半导体企业和科研院所的研究热点。与硅基转接板相比，玻璃转接板的优势主要体现在以下几方面：1）优良的高频电学特性；2）大尺寸超薄玻璃衬底易于获取；3）低成本；4）工艺流程简单；5）机械稳定性强；6）应用领域广泛。

目前玻璃转接板技术已得到了广泛关注，大批科研人员开展了相关工艺技术、器件集成研究，如玻璃基集成波导、芯片间光互联、滤波器、射频模块等。玻璃通孔技术的应用如图2所示。然而玻璃基转接板技术尚新，很多工艺问题仍没有很好的解决方法。特别是高密度TGV制作、TGV的金属填充、表面高密度金属布线等技术尚未成熟。

图2 玻璃通孔技术的应用

2 TGV成孔技术

制约玻璃转接板技术发展的主要困难之一就是TGV成孔技术。近年来，许多研究工作都在致力于研发低成本、小尺寸、细间距、无损快速成孔技术。玻璃材料的易碎性和化学惰性使得相关研发更加困难。已报道有多种TGV成孔方法，如喷砂法、光敏玻璃法、聚焦放电法、等离子刻蚀法、激光烧蚀、电化学、激光诱导刻蚀法。表1简单介绍了目前主流玻璃通孔成孔方法的优缺点。

                             表1不同TGV成孔技术的优缺点

厦门云天半导体科技有限公司通过对激光诱导刻蚀法的机理进行深入研究，将该工艺进一步优化，结果表明可以在玻璃上制造深宽比高达25的玻璃通孔；通过选用不同类型的玻璃和工艺参数可以在厚度50~600 μm的玻璃上制作直径大于15 μm的通孔。厦门云天制作的玻璃通孔如图3所示。

(a)TGV正面图                  

    (b)TGV截面图

图3厦门云天半导体科技有限公司制作的玻璃通孔

3 TGV 填孔技术

限制玻璃转接板应用的另一个技术难点是TGV的高质量填充。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；另一方面，与硅材料不同，由于玻璃表面平滑，与常用金属（如铜）的黏附性较差，容易造成玻璃衬底与金属层之间的分层现象，导致金属层卷曲，甚至脱落等现象。

TGV孔填实：第一种方案是将类似硅通孔的金属填充方案应用在TGV金属填充中，首先制作TGV盲孔；其次，通过物理气相沉积（PVD）的方法在TGV盲孔内部沉积种子层；第三，自底向上电镀，实现TGV的无缝填充；最后，通过临时键合，背面研磨、化学机械抛光(CMP)露铜，解键合，形成TGV金属填实转接板。另一种方案是使用金属导电胶进行TGV填实。图4所示为厦门云天成功完成的4：1 TGV通孔制造，无孔洞电镀。

(a)TGV通孔填实电镀   

 (b)X-ray图像

图4 厦门云天成功完成的4：1 TGV通孔制造，无孔洞电镀

TGV孔内电镀薄层：除TGV电镀填实外，TGV也可采用通孔内电镀薄层方案实现电学连接，首先通过物理气相沉积(PVD)在通孔内沉积金属黏附层如钛、铬等，种子层铜，然后进行电镀。但是，对于高深宽比通孔来说，物理气相沉积的设备和工艺过于昂贵。因此，近年来研发人员在开发采用化镀Cu种子层TGV低成本填充方案，然后再通过半加成法（SAP）在光刻胶图形上电镀出Cu线路。

4 TGV高密度布线技术

佐治亚理工学院刘富汉等人开发了线路转移(CTT)和光敏介质嵌入(PTE)，使用CTT和PTE两种方法分别达到了RDL 1.5 μm和2 μm的线宽线距。此外，乔治亚理工学院的Hao Lu等人研究了多层RDL的2.5D玻璃转接板技术，实现了面板级光刻后1.5~5 μm的线条沟槽制备，并提出改进式半加成工艺法(SAP)达到了5 μm以下低成本的线宽制作工艺。

5 总结与展望

随着半导体行业的飞速发展，半导体器件逐渐朝着高频、大功率、小尺寸的方向发展。玻璃通孔互连技术具有突出的电学性能和良好的力学、光学性能，在先进封装和无源器件制造等领域具有巨大应用潜力。虽然玻璃通孔技术取得了一定进展，但距玻璃通孔技术的市场化仍有很大的距离。其中，低成本、小尺寸、无损快速成孔技术、高可靠性通孔金属填充技术、玻璃基板上高密度布线技术亟待研究开发。相信通过研究人员深入地研究能够将玻璃通孔技术推向更大的市场。

课题组简介

厦门大学电子科学与技术学院微电子与集成电路系于大全教授课题组由1名教授、1名副教授、1名助理教授和多位博士研究生和硕士研究生组成，主要从事先进电子封装和微纳器件集成技术研究，承担多项国家、省部级项目和企业委托项目。课题组在晶圆级三维封装、玻璃通孔技术、硅通孔技术、集成无源器件技术方面取得重要进展。2020年，博士生喻甜发表在ECTC国际会议的论文获得“Travel Award”奖,博士生陈作桓发表在ICEPT国际会议的论文获得优秀学生论文一等奖，课题组与中科大合作的论文被2021年ISSCC国际会议接收。