TGV产业发展：玻璃通孔技术如何突破力学瓶颈？

在后摩尔时代，芯片算力提升的突破口已从单纯依赖制程工艺转向先进封装技术。当硅基芯片逼近物理极限，2.5D/3D堆叠技术通过Chiplet（芯粒）拆分与异构集成，成为突破光罩限制的核心路径。而在这场技术革命中，玻璃基板封装凭借其优异的物理特性——更大的封装尺寸、更低的传输损耗、更强的抗翘曲能力，被视为替代硅中介层的关键材料。然而，玻璃通孔（TGV）技术作为玻璃基板封装的“心脏”，仍面临钻孔工艺成熟度低、玻璃材料力学性能复杂等挑战。西北工业大学先进电子封装材料及结构研究中心教授龙旭提出的五点力学问题，直指TGV技术产业化的核心痛点。

一、玻璃本征特性：脆性材料下的热机械应力危机

玻璃的脆性本质与低抗拉强度，使其在温度剧烈变化的场景中（如回流焊或冷热冲击测试）极易产生热机械应力。当玻璃基板与铜互连层因热膨胀系数（CTE）不匹配（玻璃CTE约3-5 ppm/℃，铜约17 ppm/℃）时，界面处会形成分层或微裂纹。例如，台积电CoWoS技术中硅中介层的CTE与芯片接近，而玻璃基板的CTE差异可能导致封装结构在热循环中失效。龙旭指出，这种失效模式在高频通信（如5G毫米波）或车载雷达（77GHz）等严苛环境中尤为突出，需通过材料改性（如添加低CTE填料）或界面优化（如梯度过渡层）缓解应力集中。

二、电迁移失效：高电流密度下的“隐形杀手”

TGV互连结构在高电流密度下易发生电迁移（EM）失效。电流集中于RDL（重布线层）-TGV交界及异质界面处，受电-热-力耦合作用加速，导致铜原子迁移形成空洞，最终演变为裂纹并扩展。例如，三星I-cube技术中HBM与逻辑芯片的TSV互连已面临电迁移挑战，而TGV的玻璃-铜界面因玻璃的绝缘性可能进一步加剧电流集中。龙旭强调，需通过优化铜籽晶层沉积工艺（如化学镀替代物理溅射）或引入阻挡层（如TaN）抑制电迁移。

三、热力荷载：裂纹敏感性与界面应力失配

玻璃基体在热载荷下易产生裂纹，尤其是大直径TGV（如>100μm）会显著提高裂纹敏感性。实验表明，升温速率每提高1倍，径向裂纹形成概率呈指数增加。此外，玻璃与铜的弹性模量差异（玻璃约70 GPa，铜约110 GPa）导致热变形不匹配，引发界面应力集中。龙旭团队研究发现，通过降低升温速率（如从10℃/s降至1℃/s）或采用低应力RDL设计（如柔性聚酰亚胺替代刚性铜），可有效减少裂纹风险。

四、TGV-RDL互连：高频应用下的信号完整性挑战

在高频（如>28GHz）或大电流密度场景中，TGV的侧壁粗糙度、通孔锥度对信号完整性影响显著。粗糙度增大会导致插入损耗增加0.5dB/cm以上，锥度过大则可能引发阻抗不连续。例如，云天半导体在77GHz汽车雷达AiP（封装天线）中，通过优化湿法刻蚀工艺将侧壁粗糙度控制在50nm以下，使信号损耗降低40%。龙旭指出，需结合电磁仿真优化TGV几何参数，并采用化学机械抛光（CMP）降低表面粗糙度。

五、制造加工缺陷：激光钻孔与微裂纹的“双刃剑”

玻璃的脆性特性使其在激光钻孔、砂喷等加工过程中易引入微裂纹、孔周应力集中。例如，沃格光电在3μm孔径、150:1深径比的TGV制造中，通过脉冲激光参数优化（如降低单脉冲能量、提高重复频率）将微裂纹率从15%降至3%以下。龙旭建议，采用超快激光（如皮秒/飞秒激光）替代传统纳秒激光，可减少热影响区，同时结合后处理工艺（如氢氟酸缓冲液清洗）去除表面损伤层。

产业化破局：从实验室到量产的跨越

尽管挑战重重，TGV技术已在全球范围内加速落地。台积电与日月光已搭建玻璃基板工程生产线，三星计划2028年将玻璃中介层应用于芯片封装，而国内沃格光电、东旭集团等企业已在高密度互连、高频集成等领域取得突破。例如，沃格光电的4层玻璃基板堆叠技术已适配AI芯片3D封装需求，云天半导体的77GHz汽车雷达AiP通过TGV-RDL协同设计，使误报率下降50%。在设备领域，Manz亚智科技是全球领先的半导体封装设备制造商，在TGV技术及玻璃基板应用上成果斐然。凭借RDL领域积累，成功将RDL工艺用于玻璃基板，达成高密度、窄线宽线距芯片封装。其高密度玻璃通孔技术，能在不同类型、厚度玻璃基板上精准制备高纵深比、高真圆度（>95%）的TGV结构，保障信号传输稳定可靠，满足高性能计算领域需求。针对不同厚度基板，开发定制化温控系统与专属药液配方，解决厚基板加工孔径偏差问题，提升均匀性。此外，公司已向多家国际大厂交付不同尺寸板级封装RDL量产线，推动TGV技术迈向规模化生产。

龙旭教授的五大力学问题，为TGV技术产业化指明了方向：通过材料创新（如低CTE玻璃复合材料）、工艺优化（如超快激光加工）、设计协同（如电磁-热-力多物理场仿真）解决玻璃本征缺陷；通过标准化测试方法（如X射线3D成像、高频电阻率测量）提升良率。随着6G通信、智能汽车、空间通信等高频需求爆发，TGV技术有望从“备选方案”升级为“主流选择”，为芯片封装开辟一条更高效、更可靠的路径。

在这场技术革命中，玻璃基板不再是“沉默的配角”，而是通过TGV技术成为连接未来的“信息高速公路”。正如龙旭所言：“玻璃的力学性能问题，本质是材料科学与工程技术的博弈。解决这些问题，TGV技术将真正释放其潜力，推动芯片封装进入玻璃时代。”

审核编辑 黄宇