玻璃通孔技术的形成方法

1 TGV先进封装

3D IC的出现加速了对具有中介层功能的高密度I/O、低电损耗和低成本的需求。传统的有机中介层由于尺寸稳定性差、CTE不匹配和光刻限制而无法满足此类需求。硅中介层推动了多个3D集成封装的示范工作，并且在超高布线方面也引起了极大的关注。显然，硅中介层的成本是一个关键问题，特别是对于大芯片尺寸的应用来说，由于晶圆负载低导致效率低。

如今，基于玻璃的多项优点，玻璃有望成为2.5D/3D集成封装大尺寸中介层基板的核心材料，即“Glass Interposer”。这些是绝缘材料、平坦/光滑的表面、良好的电性能、可用的超薄玻璃和可扩展性。

对于玻璃中介层的实现，开发玻璃通孔（TGV）技术是最大的挑战。需要细间距和高密度通孔形成。另外，金属化技术是TGV基板的关键，因为它是产业供应链的重要组成部分之一。玻璃金属化也面临着巨大的发展挑战。

本研究探讨了细间距和高密度TGV编队的结果。使用无碱玻璃是因为其电性能良好，适用于高频率应用。本研究还探讨了细间距TGV金属化的结果。

2 玻璃材料的特性

典型的可伸缩玻璃之一是无碱玻璃。表1显示了EN-A1的无碱玻璃的玻璃材料特性。

在热性能方面，EN-A1与Si具有很好的CTE曲线匹配。图1显示了EN-A1和Si的CTE曲线。

图1：EN-A1 和 Si 的 CTE 曲线

对于高频应用而言重要的电性能方面，表2 显示了每种基板材料的电性能比较。至于玻璃，从电性能的角度来看，熔融石英最适合高频应用。无碱玻璃（EN-A1）也被认为适用于高频器件。无碱玻璃和钠钙玻璃都具有可延展性，但电性能显着不同。

3 TGV Formation

研究展示了利用放电形成 TGV 的独特方法。图2显示了这种TGV形成方法的示意图。主要包括两个步骤：集中和控制放电，产生玻璃的局部熔融区域，最后引起介质击穿，同时内部产生高压，使玻璃喷射出来。这些现象在不到 1 毫秒的时间内完成。这种创建通孔的电气方法适用于多种类型的玻璃，例如熔融石英、钠钙玻璃、无碱玻璃、含碱玻璃。

图2：TGV形成方法

4 TGV Formation Test Result

为了开发 TGV 形成，特别是为了验证细间距通孔，使用了 100um 至 200um 薄玻璃 (ENA1)。经过优化工艺参数，包括高压通过放电喷射玻璃熔融区域，这种TGV成型方法可以为超薄玻璃加工出完整的通孔。图3显示了100um TGV间距的结果。图 4 显示了更细的间距，100um 薄玻璃为 50um。通孔直径最小可达20um。

图 3：180um 薄玻璃的 100um TGV 节距

图 4：100um 薄玻璃的 50um TGV 节距

为了验证与玻璃厚度相关的工艺能力，使用了标准厚玻璃，例如300um至500um。图5为300um厚玻璃的TGV形成结果，图6为500um厚玻璃的TGV形成结果。对于 300um 厚玻璃的TGV，顶部直径约为 60um，底部直径约为40um。对于 500um 厚玻璃的 TGV，直径略有增加。

比300um厚玻璃的结果更大（顶部直径约为65um，底部直径约为45um），因为放电的输出功率较高，可以喷射出更大的熔融区域。图 5（b）和图6显示TGV侧壁经过火抛光后变得光滑，因为放电过程使玻璃局部受热并被高温熔化。

(a) SEM观察（60um TGV，120um间距） 

(b) 横截面观察（300um 厚玻璃）

图 5：采用300um 玻璃的 TGV

图 6：横截面观察（500um 玻璃的 TGV）

5 TGV 金属化

对于玻璃中介层，应考虑与后工艺的协调，因为它会影响TGV形成的性能和工艺参数。探索了使用导电浆料的独特通孔填充方法。图7显示了使用导电浆料技术的金属化 TGV 的一些示例。使用导电浆料的优点之一是固化后的导电过孔的CTE可以调整并使其接近基材。经过铜浆填充工艺优化后，确定了50um 金属化 TGV，间距为 130um。这些都是密封过孔。就电性能而言，电导率约为1.6 至 1.9 m*欧姆/平方。 

(a)金属化TGV（60um TGV，200um间距）

(b) 金属化 TGV（密封通孔）

图 7：金属化 TGV 示例

在玻璃上的RDL评估方面，测试了TiW和Cr两种晶种材料，并通过拉力测试和剥离测试评估金属化在玻璃上的附着力。晶种材料溅射后，在玻璃上进行镀铜。图8显示了拉力测试的样品，图9显示了拉力测试的结果（ENA1-Cr-Cu）。图10为剥离试验示意图，表3为剥离试验结果。ENA1-TiW-Cu和ENA1-Cr-Cu表现出足够的剥离强度。尤其是ENA1-Cr-Cu表现出更高的剥离强度。从拉力测试的结果来看，ENA1-Cr-Cu也表现出了足够的强度。

图8：拉力测试样本

图9：拉力测试结果

图 10：剥离测试

6 未来发展

应评估 TGV 基板的电气和机械性能。此外，应评估使用 TGV 基板的 2.5D/3D 封装的第一级和第二级互连的可靠性。对于薄玻璃中介层，应探索TGV玻璃基板的处理。从实现低成本玻璃中介层的角度来看，该处理解决方案应该与现有的工业基础设施相协调。

7 结论

采用聚焦放电法等独特的玻璃微加工技术，研究了无碱玻璃（EN-A1）的TGV形成。聚焦放电法显示出50um细间距TGV可用于100um以下厚度的玻璃，预计可应用于2.5D/3D玻璃中介层。

聚焦放电法显示了标准厚玻璃的 TGV 形成能力，预计可应用于各种 3D 封装。加工了 300um至500um厚的ENA1玻璃。金属化 TGV 通过使用导电浆料技术进行了演示。该方法显示了 130um 间距填充 50um 通孔的能力。

TiW 和 Cr 作为 ENA1 上直接镀铜的种子层进行评估。ENA1-Cr-Cu表现出更高的剥离强度。