CTE與Si匹配良好的無(wú)堿玻璃的玻璃通孔 (TGV) 形成技術(shù)。3D封裝目前引起了廣泛的關(guān)注。中介層被公認(rèn)為關(guān)鍵材料之一，新型細(xì)間距、高密度、低成本中介層的開(kāi)發(fā)正在加速。玻璃因其良好的電性能和基板尺寸的可擴(kuò)展性從而帶來(lái)更高的裝載效率而有望成為未來(lái)中介層基板 的候選材料之一。這項(xiàng)研究表明，TGV成型顯示出細(xì)間距和高密度的能力，并且TGV成型適用于標(biāo)準(zhǔn)厚玻璃，旨在實(shí)現(xiàn)MEMS、光學(xué)器件和RF器件等各種封裝應(yīng)用。這項(xiàng)研究還展示了上述細(xì)間距TGV基板的金屬化。

1TGV先進(jìn)封裝

3D IC的出現(xiàn)加速了對(duì)具有中介層功能的高密度I/O、低電損耗和低成本的需求。傳統(tǒng)的有機(jī)中介層由于尺寸穩(wěn)定性差、CTE不匹配和光刻限制而無(wú)法滿(mǎn)足此類(lèi)需求。硅中介層推動(dòng)了多個(gè)3D集成封裝的示范工作，并且在超高布線(xiàn)方面也引起了極大的關(guān)注。顯然，硅中介層的成本是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，特別是對(duì)于大芯片尺寸的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，由于晶圓負(fù)載低導(dǎo)致效率低。

如今，基于玻璃的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，玻璃有望成為2.5D/3D集成封裝大尺寸中介層基板的核心材料，即“Glass Interposer”。這些是絕緣材料、平坦/光滑的表面、良好的電性能、可用的超薄玻璃和可擴(kuò)展性。

對(duì)于玻璃中介層的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)玻璃通孔（TGV）技術(shù)是最大的挑戰(zhàn)。需要細(xì)間距和高密度通孔形成。另外，金屬化技術(shù)是TGV基板的關(guān)鍵，因?yàn)樗钱a(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的重要組成部分之一。玻璃金屬化也面臨著巨大的發(fā)展挑戰(zhàn)。

本研究探討了細(xì)間距和高密度TGV編隊(duì)的結(jié)果。使用無(wú)堿玻璃是因?yàn)槠潆娦阅芰己茫m用于高頻率應(yīng)用。本研究還探討了細(xì)間距TGV金屬化的結(jié)果。

2玻璃材料的特性

典型的可伸縮玻璃之一是無(wú)堿玻璃。表1顯示了EN-A1的無(wú)堿玻璃的玻璃材料特性。

在熱性能方面，EN-A1與Si具有很好的CTE曲線(xiàn)匹配。圖1顯示了EN-A1和Si的CTE曲線(xiàn)。

圖1：EN-A1 和 Si 的 CTE 曲線(xiàn)

對(duì)于高頻應(yīng)用而言重要的電性能方面，表2 顯示了每種基板材料的電性能比較。至于玻璃，從電性能的角度來(lái)看，熔融石英最適合高頻應(yīng)用。無(wú)堿玻璃（EN-A1）也被認(rèn)為適用于高頻器件。無(wú)堿玻璃和鈉鈣玻璃都具有可延展性，但電性能顯著不同。

3TGV Formation

研究展示了利用放電形成 TGV 的獨(dú)特方法。圖2顯示了這種TGV形成方法的示意圖。主要包括兩個(gè)步驟：集中和控制放電，產(chǎn)生玻璃的局部熔融區(qū)域，最后引起介質(zhì)擊穿，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生高壓，使玻璃噴射出來(lái)。這些現(xiàn)象在不到 1 毫秒的時(shí)間內(nèi)完成。這種創(chuàng)建通孔的電氣方法適用于多種類(lèi)型的玻璃，例如熔融石英、鈉鈣玻璃、無(wú)堿玻璃、含堿玻璃。

圖2：TGV形成方法

4TGV FormationTest Result

為了開(kāi)發(fā) TGV 形成，特別是為了驗(yàn)證細(xì)間距通孔，使用了 100um 至 200um 薄玻璃 (ENA1)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，包括高壓通過(guò)放電噴射玻璃熔融區(qū)域，這種TGV成型方法可以為超薄玻璃加工出完整的通孔。圖3顯示了100um TGV間距的結(jié)果。圖 4 顯示了更細(xì)的間距，100um 薄玻璃為 50um。通孔直徑最小可達(dá)20um。

圖 3：180um 薄玻璃的 100um TGV 節(jié)距

圖 4：100um 薄玻璃的 50um TGV 節(jié)距

為了驗(yàn)證與玻璃厚度相關(guān)的工藝能力，使用了標(biāo)準(zhǔn)厚玻璃，例如300um至500um。圖5為300um厚玻璃的TGV形成結(jié)果，圖6為500um厚玻璃的TGV形成結(jié)果。對(duì)于 300um 厚玻璃的TGV，頂部直徑約為 60um，底部直徑約為40um。對(duì)于 500um 厚玻璃的 TGV，直徑略有增加。

比300um厚玻璃的結(jié)果更大（頂部直徑約為65um，底部直徑約為45um），因?yàn)榉烹姷妮敵龉β瘦^高，可以噴射出更大的熔融區(qū)域。圖 5（b）和圖6顯示TGV側(cè)壁經(jīng)過(guò)火拋光后變得光滑，因?yàn)榉烹娺^(guò)程使玻璃局部受熱并被高溫熔化。

(a) SEM觀(guān)察（60um TGV，120um間距）

(b) 橫截面觀(guān)察（300um 厚玻璃）

圖 5：采用300um 玻璃的 TGV

圖 6：橫截面觀(guān)察（500um 玻璃的 TGV）

5TGV 金屬化

對(duì)于玻璃中介層，應(yīng)考慮與后工藝的協(xié)調(diào)，因?yàn)樗鼤?huì)影響TGV形成的性能和工藝參數(shù)。探索了使用導(dǎo)電漿料的獨(dú)特通孔填充方法。圖7顯示了使用導(dǎo)電漿料技術(shù)的金屬化 TGV 的一些示例。使用導(dǎo)電漿料的優(yōu)點(diǎn)之一是固化后的導(dǎo)電過(guò)孔的CTE可以調(diào)整并使其接近基材。經(jīng)過(guò)銅漿填充工藝優(yōu)化后，確定了50um 金屬化 TGV，間距為 130um。這些都是密封過(guò)孔。就電性能而言，電導(dǎo)率約為1.6 至 1.9 m*歐姆/平方。

(a)金屬化TGV（60um TGV，200um間距）

(b)金屬化TGV（密封通孔）

圖 7：金屬化 TGV 示例

在玻璃上的RDL評(píng)估方面，測(cè)試了TiW和Cr兩種晶種材料，并通過(guò)拉力測(cè)試和剝離測(cè)試評(píng)估金屬化在玻璃上的附著力。晶種材料濺射后，在玻璃上進(jìn)行鍍銅。圖8顯示了拉力測(cè)試的樣品，圖9顯示了拉力測(cè)試的結(jié)果（ENA1-Cr-Cu）。圖10為剝離試驗(yàn)示意圖，表3為剝離試驗(yàn)結(jié)果。ENA1-TiW-Cu和ENA1-Cr-Cu表現(xiàn)出足夠的剝離強(qiáng)度。尤其是ENA1-Cr-Cu表現(xiàn)出更高的剝離強(qiáng)度。從拉力測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，ENA1-Cr-Cu也表現(xiàn)出了足夠的強(qiáng)度。

圖8：拉力測(cè)試樣本

圖9：拉力測(cè)試結(jié)果

圖 10：剝離測(cè)試

6未來(lái)發(fā)展

應(yīng)評(píng)估 TGV 基板的電氣和機(jī)械性能。此外，應(yīng)評(píng)估使用 TGV 基板的 2.5D/3D 封裝的第一級(jí)和第二級(jí)互連的可靠性。對(duì)于薄玻璃中介層，應(yīng)探索TGV玻璃基板的處理。從實(shí)現(xiàn)低成本玻璃中介層的角度來(lái)看，該處理解決方案應(yīng)該與現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施相協(xié)調(diào)。

7結(jié)論

采用聚焦放電法等獨(dú)特的玻璃微加工技術(shù)，研究了無(wú)堿玻璃（EN-A1）的TGV形成。聚焦放電法顯示出50um細(xì)間距TGV可用于100um以下厚度的玻璃，預(yù)計(jì)可應(yīng)用于2.5D/3D玻璃中介層。

聚焦放電法顯示了標(biāo)準(zhǔn)厚玻璃的 TGV 形成能力，預(yù)計(jì)可應(yīng)用于各種 3D 封裝。加工了 300um至500um厚的ENA1玻璃。金屬化 TGV 通過(guò)使用導(dǎo)電漿料技術(shù)進(jìn)行了演示。該方法顯示了 130um 間距填充 50um 通孔的能力。

TiW 和 Cr 作為 ENA1 上直接鍍銅的種子層進(jìn)行評(píng)估。ENA1-Cr-Cu表現(xiàn)出更高的剝離強(qiáng)度。