隨著電子產(chǎn)品需求的不斷提升，半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從2D 結(jié)構(gòu)發(fā)展到2.5D 乃至3D結(jié)構(gòu)，這對(duì)包括高密度集成和異質(zhì)結(jié)構(gòu)封裝在內(nèi)的系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Packaging， SiP）提出了更高的要求。以當(dāng)下熱門的晶圓級(jí)封裝為切入點(diǎn)，重點(diǎn)闡述并總結(jié)目前在晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的3 種垂直互連結(jié)構(gòu)：硅通孔（Through Silicon Via，TSV)、塑封通孔(Through Molding Via，TMV)、玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)。這3 種垂直互連結(jié)構(gòu)也是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的推進(jìn)三維集成封裝的關(guān)鍵技術(shù)。

21 世紀(jì)初，晶圓級(jí)封裝技術(shù)實(shí)體問(wèn)世，起初晶圓級(jí)封裝依靠其封裝尺寸小型化、低成本和高性能的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)應(yīng)用中獲得認(rèn)可，但隨著用戶需求的不斷提升，移動(dòng)設(shè)備向高集成化、輕量化以及智能化的趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)先進(jìn)封裝提出了更高的要求。2010 年之后，封裝技術(shù)有了質(zhì)的突破，在封裝體的縱向和橫向上取得顯著成效，出現(xiàn)了扇出型封裝、多芯片異構(gòu)集成封裝、三維異質(zhì)集成封裝以及將所有封裝形式和結(jié)構(gòu)融合于一體的系統(tǒng)級(jí)封裝。

作為上下互連的中介層結(jié)構(gòu)，垂直互連結(jié)構(gòu)對(duì)三維封裝集成能力以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合具有不可替代的作用，其中硅通孔（Through Silicon Via，TSV)、塑封通孔(Through Molding Via，TMV) 和玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)互連結(jié)構(gòu)在近些年的先進(jìn)封裝領(lǐng)域中是最為普遍的結(jié)構(gòu)，通過(guò)垂直互連提高了封裝體的高密度互連能力，使得集成度更高、傳輸速率更快、寄生干擾更小、高頻特性更優(yōu)越。

TSV 垂直互連結(jié)構(gòu)

根據(jù)硅通孔在工藝制程中形成的順序，TSV 結(jié)構(gòu)可以分為先通孔工藝（Via First）、中通孔工藝（Via Middle）和后通孔工藝（Via Last）。其中后通孔工藝還分為正面后通孔工藝和背面后通孔工藝。

TSV 技術(shù)被看做是一個(gè)必然的互連解決方案，也是目前倒裝芯片和引線鍵合型疊層芯片解決方案的很好補(bǔ)充。TSV 結(jié)構(gòu)能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大提升芯片傳輸速度并降低功耗。因此，業(yè)內(nèi)人士將TSV 技術(shù)稱為繼引線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動(dòng)焊（TAB）和倒裝芯片（FC）之后的第四代封裝技術(shù)。

但是TSV 技術(shù)的發(fā)展也不可避免地存在一些問(wèn)題亟待解決，首先是超薄硅圓片技術(shù)，其次是高密度互連的散熱問(wèn)題，再者是3D封裝與目前封裝工藝的兼容性問(wèn)題，包括兼容的工藝設(shè)備和工具，這涉及到成本問(wèn)題，且未形成一套統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及系統(tǒng)的評(píng)價(jià)檢測(cè)體系。

TMV 垂直互連結(jié)構(gòu)

TMV 結(jié)構(gòu)的制備原理較為簡(jiǎn)單，如圖5所示，即經(jīng)過(guò)塑封工藝后，利用激光鉆孔的方式在塑封體中制備垂直通孔，通孔的底部連接金屬。隨后，通過(guò)濺射和電鍍工藝在通孔中填入導(dǎo)電材料，輔助以打線鍵合及回流焊工藝實(shí)現(xiàn)邏輯與內(nèi)存組件的三維互聯(lián)。

TMV 技術(shù)作為眾多3D 垂直互聯(lián)方案的一種，填補(bǔ)了倒裝以及TSV 封裝技術(shù)等高端市場(chǎng)以外的空白。

TGV 垂直互連結(jié)構(gòu)

隨著封裝體的集成度不斷提高，系統(tǒng)級(jí)封裝和3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及器件加工工藝和材料特性能力等的需求，加之TSV/TMV 互連結(jié)構(gòu)本身也存在局限性，所以在2.5D 和3D 封裝領(lǐng)域必然出現(xiàn)不同路線的工藝和材料方案，以彌補(bǔ)市場(chǎng)需求。

在2010 年第60 屆電子元件和技術(shù)會(huì)議上，來(lái)自德國(guó)費(fèi)勞恩霍夫可靠性和微集成研究所的邁克爾博士，與專業(yè)的玻璃材料制造商肖特公司聯(lián)合，首次提出了TGV 技術(shù)概念，提出玻璃通孔在工藝穩(wěn)定性、制程成本以及射頻和微波電性能方面相對(duì)于硅通孔較為優(yōu)越。

在隨后的幾年里，業(yè)界諸多專家學(xué)者對(duì)玻璃及TGV 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了深入的拓展和探索研究，國(guó)內(nèi)以廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司為首，國(guó)外以肖特、博世公司為首，在應(yīng)用領(lǐng)域不斷挖掘，目前已知在MEMS 封裝、3D IC 轉(zhuǎn)接板以及IPD集成和射頻元器件工藝方面的嘗試均取得了非常不錯(cuò)的效果。尤其在2015 年之后，由于5G 毫米波概念慢慢進(jìn)入人們的視野，業(yè)內(nèi)諸多專家學(xué)者和無(wú)線通訊以及信號(hào)基站制造商針對(duì)使用玻璃為載體的TGV 結(jié)構(gòu)工藝，探索其在高頻信號(hào)下的傳輸性能，最后因玻璃具備電阻率較高、高信號(hào)隔離、低介電損耗的特性取得了非常優(yōu)秀的成果。而TSV 工藝結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體硅材料，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)影響下載流子會(huì)移動(dòng)從而影響電路信號(hào)，所以以玻璃為載體的TGV 工藝結(jié)構(gòu)在毫米波產(chǎn)品應(yīng)用中更優(yōu)于TSV 結(jié)構(gòu)。

TGV 結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)在光通信、射頻、微波、微機(jī)電系統(tǒng)、微流體器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。此外，因?yàn)椴ＡУ奈锢硖匦钥煽兀に囍袩o(wú)需制作絕緣層，降低了工藝復(fù)雜度和成本，所以在未來(lái)三維異質(zhì)集成中，TGV 結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是替代TSV 結(jié)構(gòu)的理想解決方案。

TGV 結(jié)構(gòu)工藝

對(duì)于TGV 互聯(lián)結(jié)構(gòu)的一大挑戰(zhàn)就是如何快速且經(jīng)濟(jì)地形成大批量結(jié)構(gòu)通孔（如圖7所示）。TGV 結(jié)構(gòu)的通孔形成方法和TSV結(jié)構(gòu)相比，雖然最終目的是一樣的，都是完成封裝體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的垂直互聯(lián)作用，但因玻璃和硅材料本身還是存在不小的差異，所以工藝制程上又存在區(qū)別，目前為大家熟知的TGV 結(jié)構(gòu)中通孔形成的方式有超聲鉆孔、噴砂工藝、濕法刻蝕、深反應(yīng)離子刻蝕DRIE、激光鉆孔、聚放電工藝FED、光敏玻璃感光成形以及采用激光誘導(dǎo)深度蝕刻LIDE。

傳統(tǒng)的噴砂法、濕法刻蝕法都存在一定的局限性，深反應(yīng)離子刻蝕的效率十分低下。激光鉆孔是較為適用的方法，因其成本低且覆蓋范圍廣贏得了業(yè)界的關(guān)注。激光鉆孔根據(jù)波長(zhǎng)和類型分為好幾類，其中有波長(zhǎng)從1 μm 短波激光到10.6 μm 的CO2 激光，還有具備紫外波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光。CO2 激光因其工藝質(zhì)量和效力不高而被否定，而基于準(zhǔn)分子激光和聚放電工藝技術(shù)的TGV 通孔效力可達(dá)每秒上千個(gè)玻璃通孔。

樂(lè)普科激光電子股份有限公司及廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司分別在2014 和2019 年對(duì)激光誘導(dǎo)刻蝕工藝進(jìn)行介紹和深度研究，被認(rèn)為是目前對(duì)TGV 通孔成形最有效的方式。其工藝步驟主要為兩步：第一是用皮秒激光去改性基底玻璃，第二步使用10%的HF 去做玻璃刻蝕從而形成玻璃通孔。這一工藝被廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司稱之為L(zhǎng)aserInduce Deep Etching，其形成的玻璃通孔可以獲得較高的深寬比，同時(shí)沒(méi)有碎屑和裂紋，工藝具有良好的穩(wěn)定性，且深入研究表明此工藝如果使用材質(zhì)是硅玻璃，其垂直通孔形成后表面將更為光滑。LPKF 激光所進(jìn)行的玻璃改性的處理速度為每秒大約5000 個(gè)玻璃通孔，TGV 的直徑可達(dá)10~50 μm，節(jié)約了大量的工藝時(shí)間并保證了工藝能力。

形成玻璃通孔只是TGV 結(jié)構(gòu)工藝過(guò)程的一部分。填孔和金屬化布線是接下來(lái)不可或缺的工作。TGV 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接板基本流程為：在玻璃通孔完成之后進(jìn)行通孔電鍍，之后再進(jìn)行介電層和布線層以及金屬化層等類似TSV 結(jié)構(gòu)的工藝制程。TGV 金屬化流程及相關(guān)切片如圖8 所示。

TGV 技術(shù)優(yōu)劣性及挑戰(zhàn)

玻璃通孔技術(shù)雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著多方不足。一是現(xiàn)有的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)TGV 結(jié)構(gòu)，但有些方法會(huì)損傷玻璃，且造成表面不光滑；二是大多數(shù)加工方法效率低，沒(méi)法大規(guī)模量產(chǎn)；三是TGV 結(jié)構(gòu)的電鍍成本和時(shí)間相比TSV 結(jié)構(gòu)略高；四是玻璃襯底材質(zhì)表面的黏附性較差，容易導(dǎo)致RDL 金屬層異常；五是玻璃本身的易碎性和化學(xué)惰性給工藝開(kāi)發(fā)帶來(lái)了難度。還有就是此技術(shù)對(duì)于市場(chǎng)而言還屬于相對(duì)新興的技術(shù)，雖然已有不錯(cuò)的反響，且市場(chǎng)規(guī)模在逐年擴(kuò)大，但市場(chǎng)需求和應(yīng)用生態(tài)還沒(méi)有產(chǎn)生很大的改變，有待未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展。

TSV、TMV、TGV 結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，沒(méi)有一種通孔結(jié)構(gòu)可以完美應(yīng)用于各種高密度高維度集成封裝。TSV 結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體電子存儲(chǔ)和CIS 領(lǐng)域有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，但材料兼容性不高、工藝成本高昂。TMV 結(jié)構(gòu)則工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，但工藝技術(shù)能力的應(yīng)用處于相對(duì)低端封裝領(lǐng)域。TGV 結(jié)構(gòu)雖在射頻和微波傳輸方面有更大的優(yōu)勢(shì)，但是材料工藝有局限性。3 種垂直互連結(jié)構(gòu)具體如何運(yùn)用，還要結(jié)合具體的實(shí)際應(yīng)用需求，以使得封裝結(jié)構(gòu)更合理，優(yōu)點(diǎn)更多，性能更突出。同時(shí)，未來(lái)還需持續(xù)優(yōu)化各個(gè)垂直互連結(jié)構(gòu)，改進(jìn)各垂直互連結(jié)構(gòu)的工藝方法，進(jìn)一步完善高密度集成封裝技術(shù)。