- 专业PCB设计平台 20年专业经验

【导语】后摩尔时代，先(xiān)进(jìn)封(fēng)装(zhuāng)成(chéng)芯(xīn)片(piàn)算(suàn)力(lì)提(tí)升(shēng)关键，其(qí)中(zhōng)玻(bō)璃(lí)基板封装因诸多优势被视为提升芯片性能的关键技术，但目前仍处于技术验证、预生产阶段。其成功与否取决于TGV（玻璃通孔(kǒng)）工(gōng)艺(yì)的(de)成熟度，而玻璃材料本身的物理特征，又成为制约该技术普及的难题，国内虽有企业实现技术突破，但玻璃力学性能带来的诸多问题仍待解决。

图为玻璃面板幅面（图源: RENA）

先进封装已成为后摩尔时代芯片算力提升的核心手段。随着晶体管不断缩小，芯片尺寸达到光罩极限，将大芯片分割成更小的Chiplet，通过2.5D、3D堆叠打破限制便成为破局关键。

2.5D、3D集成需要硅中介层、RDL技术、凸点、玻璃基板、TSV、TGV、混合键合技术等多项技术的配合。其中，玻璃基板封装由于其物理特性更优、封装尺寸比硅更大，电气性能更好、能够减少传输损耗，能够有效对抗翘曲问题、更适合大尺(chǐ)寸(cùn)封(fēng)装(zhuāng)等(děng)优(yōu)点(diǎn)，被(bèi)认(rèn)为(wèi)是(shì)提(tí)升(shēng)芯(xīn)片(piàn)性(xìng)能(néng)的(de)关键材(cái)料(liào)技(jì)术(shù)。

然(rán)而(ér)，这(zhè)项(xiàng)受(shòu)到(dào)业(yè)界(jiè)颇(pō)多(duō)关注(zhù)的(de)技(jì)术(shù)，仍(réng)处(chù)于(yú)技(jì)术(shù)验(yàn)证(zhèng)、预(yù)生(shēng)产(chǎn)阶(jiē)段(duàn)，仍(réng)未(wèi)实(shí)现(xiàn)批(pī)量(liàng)生产。玻璃基板封装所需采用的钻孔工艺TGV（玻璃通孔）的技术成熟度则是玻璃基板技术成功与否的破局关键。

何为TGV？

为提升晶体管排布密度，优化芯片性能，垂直堆叠，3D封装需要在芯片与芯片间、晶圆与晶圆间制作垂直通孔，从而实现芯片之间的直接互连。由于芯片多是在硅基上制造，于是需要TSV（硅通孔）工艺的加持。

当前TSV工艺依据工艺顺序主要分为三种方案：

其一，先通孔，在CMOS工艺开始前制作通孔，填充材料（常用多晶硅）须耐受后续高温工艺。其二，中通孔，在CMOS器件钝化后、全局互连开始前、晶圆减薄前进行，可用铜作为填充材料。其三，后通孔，在晶圆减薄至最终厚度后进行，需将晶圆固定在载片或底部晶圆上再进行。

现阶段能够看到，不同的企业在自己的封装工艺中不同程度地采用了TSV技术。例如，台积电的CoWoS技术，通过硅中介层高密度互连芯片，采用TSV技术垂直导通转接板；英特尔的Foveros技术，水平面对面集成芯片，以TSV垂直互连实现高密度、低功耗；台积电的SoIC技术，以TSV贯穿芯片实现了无凸点键合，从而实现超高密度集成10nm以下的先进制程工艺芯片；三星的I-cube技术，基于TSV/BEOL技术，将硅中介层整合逻辑芯片与HBM，实现并行(xíng)散(sàn)热扩展性能。

图为TSV技术与TGV技术区别（图源: 广发证券发展研究中心）

而如果(guǒ)采用(yòng)玻(bō)璃(lí)基(jī)板(bǎn)，则(zé)当(dāng)前(qián)2.5D、3D封(fēng)装(zhuāng)中(zhōng)采用(yòng)的(de)硅(guī)中(zhōng)介(jiè)层(céng)、FC-BGA载(zài)板(bǎn)都(dōu)可(kě)以(yǐ)由(yóu)玻(bō)璃(lí)基(jī)板(bǎn)替(tì)代(dài)。相(xiāng)应(yīng)地(de)，原(yuán)先(xiān)工(gōng)艺(yì)中(zhōng)所(suǒ)采用的钻孔工艺也要相应地由TSV工艺转化为TGV（玻璃通孔）工艺。

TGV工艺大致包括如下流程：首先，激光钻孔会在玻璃中产生局部热应力，从(cóng)而(ér)产(chǎn)生(shēng)表(biǎo)面(miàn)粗(cū)糙(cāo)度(dù)；其(qí)次(cì)，湿(shī)法(fǎ)刻(kè)蚀(shí)会(huì)会(huì)扩(kuò)大(dà)孔(kǒng)并(bìng)形(xíng)成(chéng)TGV沟(gōu)槽(cáo)；随(suí)后(hòu)，金(jīn)属(shǔ)籽(zǐ)晶(jīng)层(céng)沉(chén)积(jī)并(bìng)电(diàn)镀(dù)。

玻(bō)璃(lí)材(cái)料(liào)物(wù)理难题待解

在TGV领域，国内已有企业实现了技术突破。例如，沃格光电在高密度互连方面实现技术突破，通过材料改性及工艺优化，攻克了铜附着力(lì)不(bù)足、微裂纹控制及孔内填充空洞等难题，实现了3um孔径、150:1深径比、10 mm铜厚的行业领先水平，支持4层以上玻璃基板堆叠，适配AI芯片3D封装需求。云天半导体在高频集成方面实现创新，其诱导刻蚀技术，在180wm玻璃基板空腔嵌)芯片通过铜RDL布线实现77 GHz汽车雷达天线集成(AiP)，2024年优化高频性能扩展至5G毫米波通信模块，提升了信号传输效率。

但玻璃材料本身的物理特征，仍然是制约玻璃基板、TGV技术在芯片封装领域普及的关键。

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表示，玻璃的力学性能决定了TGV封装的可靠性与应用前景。

围绕这一话题，龙旭从五个层面阐释了玻璃的力学性能。

其一，在玻璃本征特性引起的力学问题层面，由于玻璃本身属于脆性材料且抗拉强度较低在温度剧烈变化的场景(如回流焊或冷热冲击测试)中会引发较大的热机械应力，这可能导致玻璃-铜界面出玻璃和金属间的热膨胀差异(CTE mismatch现分层或微裂纹问题，并导致局部乃至整体失效。

其二，从电迁移引起的力学问题层面， TGV互连结构在高电流密度下易发生电迁移(EM)失效，由干电流集中效应，主要集中于RDL-TGV交界及异质界面处，受电-热-力耦合作用加速，成为系统可靠性的关键弱环节随着电迁移时间的增加，空洞等缺陷形式可演变成裂纹，并可能扩展。

其三，在热力荷载引起的力学问题层面，玻璃基体在热载荷下会出现裂纹。TGV直径较大，易产生界面应力集中，从而显著提高裂纹敏感性；升温速率越高，径向裂纹形成概率呈指数增加，相反，低速升温有助于应力松弛并降低裂纹风险。另外，在铜互连结构与玻璃分层，材料差异导致应力失配，玻璃与铜在弹性模量和热膨胀系数上差异显著，热载荷下产生不同变形，引发界面应力集中。玻璃表面较平滑，与铜黏附性差，易在热循环中发生界面分层，严重时导致基板开裂和电路失效。

其四，在TGV-RDL（重布线层）的互连结构引起的力学和电学问题层面，TGV 在低电流密度下具有较高的电学可靠性，但在大电流密度和高频应用中，容易妥到工艺缺陷和热载荷影响表现出传输性能下降。侧壁粗糙度和通孔锥度对信号完整性影响显著，粗糙度增大和锥度过大均会导致损耗、延迟及功耗增加，尤其在高频段表现突出。虽然热循环作用下TGV电阻基本保持稳定，但界面裂纹和分层会引入额外的电阻与电容效应，导致信号损耗加剧及谐振频率漂移而影响整体器件的电学性能。

其五，在制造加工方(fāng)法(fǎ)引(yǐn)起(qǐ)的(de)力(lì)学(xué)问(wèn)题(tí)层(céng)面(miàn)，由(yóu)于(yú)玻(bō)璃(lí)的(de)脆(cuì)性(xìng)特(tè)性(xìng)，在(zài)TGV制(zhì)造(zào)过(guò)程(chéng)中(zhōng)常(cháng)见(jiàn)的(de)加(jiā)工(gōng)工(gōng)艺(yì)(如(rú)激(jī)光(guāng)钻(zuān)孔(kǒng)、腐(fǔ)蚀(shí)、砂喷和微加工等)容易引入缺陷，主要包括微裂纹、孔周应力集中和表面粗糙度。加工工艺可能会带来芯片互连失效、界面脱粘、导体填充层断裂等潜在后果。