陈 力，杨晓锋，于大全,2

（1.厦门大学电子科学与技术学院，福建 厦门 361000；2.厦门云天半导体科技有限公司，福建 厦门 361026）

1 引言

随着智能手机、物联网、汽车电子、高性能计算、5G、人工智能等新兴领域的蓬勃发展，随之出现的各种新的应用对先进封装提出更高的要求。硅基转接板2.5D 集成技术作为先进系统集成技术，近年来得到了迅猛的发展。但硅基转接板存在两个主要问题：1)成本高，硅通孔(TSV)制作采用硅刻蚀工艺，随后硅通孔需要氧化绝缘层、薄晶圆的拿持等技术；2)电学性能差，硅材料属于半导体材料，传输线在传输信号时，信号与衬底材料有较强的电磁耦合效应，衬底中产生涡流现象，造成信号完整性较差（插损、串扰等）[1]。作为一种可能替代硅基转接板的材料，玻璃通孔（TGV）转接板因其众多优势正在成为国内外半导体企业和科研院所的研究热点[2-5]。

与硅基转接板相比，玻璃转接板的优势主要体现在以下几个方面。

1）低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于获取，以及不需要沉积绝缘层，玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8；2）优良的高频电学特性：玻璃材料是一种绝缘体材料，介电常数只有硅材料的1/3左右，损耗因子比硅材料低2～3 个数量级，使得衬底损耗和寄生效应大大减小，可以有效提高传输信号的完整性；3）大尺寸超薄玻璃衬底易于获取：康宁、旭硝子以及肖特等玻璃厂商可以量产超大尺寸（大于2 m×2 m）和超薄（小于50 μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；4）工艺流程简单：不需要在衬底表面及TGV内壁沉积绝缘层，且超薄转接板不需要二次减薄；5）机械稳定性强：当转接板厚度小于100 μm 时，翘曲依然较小；6）应用领域广泛：除了在高频领域有良好应用前景之外，透明、气密性好、耐腐蚀等性能优点使玻璃通孔在光电系统集成领域[6]、MEMS 封装领域有巨大的应用前景。

目前玻璃转接板技术已得到了国内外的广泛关注，大批科研人员针对TGV 玻璃转接板开展了大量的相关工艺技术[3-5]、器件集成技术的研究工作，如高密度TGV 制作、TGV 的金属填充、表面高密度金属布线，玻璃基集成波导、芯片间光互联、滤波器、射频模块等[6-8]。本文对TGV 成孔技术、TGV 金属填充技术、TGV 高密度布线技术的国内外研究现状进行了综述。

2 玻璃通孔成孔技术

制约玻璃通孔技术发展的主要困难之一就是玻璃通孔成孔技术，需要满足高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。多年以来，许多研究工作都在致力于研发低成本、快速可规模化量产的成孔技术。下面将简要介绍近年来常用的玻璃通孔成孔技术，同时分析其优缺点。

2.1 喷砂法

首先需要在玻璃基板上制作一层复合掩模，然后以制备的复合掩模为基础，采用干粉喷砂工艺对玻璃晶片进行蚀刻[9-11]。考虑到蚀刻效率和宽高比，可在玻璃晶片的一侧先蚀刻一次；随后，在玻璃晶片的另一侧也采用上述同样的工艺步骤进行蚀刻。在两次喷砂蚀刻过程中，必须保证对中形成完整的通孔。通过喷砂法制作的玻璃通孔结构如图1 所示。从图1 可以明显看出，喷砂法制作的通孔非常粗糙；该方法只能制作孔径较大(＞200 μm)、间距较大的玻璃通孔；该工艺中使用的沙粒直径为20～50 μm，如此大的颗粒会对玻璃表面以及孔的侧壁造成封装系统无法接受的损伤。

图1 喷砂法制作的TGV 结构[9]

2.2 光敏玻璃法

通过紫外线照射定义图形，光敏玻璃中掺杂有一定浓度的三价铈离子（Ce3+）和银离子（Ag+），经过一定波长的紫外线曝光后，三价铈离子释放一个电子变成四价的铈离子（Ce4+），银离子与释放的电子结合形成银原子，该区域形成变性区，主要反应式如下：

曝光后再经过后续的高温烧结工艺，经过紫外光照射的区域材料属性转变为陶瓷材料，最后通过氢氟酸腐蚀去除陶瓷材料。详细工艺流程如图2 所示。基于光敏玻璃的TGV 制作方法，其优势在于采用高刻蚀速率的湿法腐蚀实现各向异性刻蚀，可获得高密度、高深宽比的TGV。图3 为该工艺制作的TGV 阵列显微图像。但是该技术也存在两个问题：1)价格昂贵，包括光敏玻璃本身的材料价格和工艺制程价格；2)对于不同尺寸的图形，尤其是盲孔或者盲槽的刻蚀，由于腐蚀速率不同，会造成图形定义精度差别较大[12-13]；同时，由于需要高温处理，会造成玻璃在半固化状态下移动，造成结构偏移。

在对危害社会行为的制裁体系上，我国与西方国家有着明显的不同。多数西方国家都不为犯罪设置定量因素，而是从整体上将全部犯罪分为重罪与轻罪或者重罪、轻罪与违警罪等不同的轻重层次，并在制裁的方法和程序等方面体现出相应的差别。我国则是通过为犯罪设置定量因素，进而将众多在“量”上达不到犯罪要求的危害行为都划入行政违法的范畴，由此也便形成了“刑罚+行政处罚”的双层次制裁体系。那么，在我国也对犯罪进行轻重分层之后，就势必会面临着要否将相关的行政违法行为纳入轻罪范围的问题。

图2 基于光敏玻璃材料的TGV 工艺流程[12]

图3 光学显微镜图像[12]

2.3 聚焦放电法

聚焦放电主要包括两个步骤：1)将玻璃放在两个电极之间，通过控制放电对玻璃局部区域进行放电熔融；2)通过焦耳热使玻璃内部产生高应力，引起内部高压和介电击穿。图4 表示聚焦放电制作TGV 的示意图。上述步骤可以在不到1 μs 的时间内就完成100～500 μm 厚的玻璃通孔制备。该方法可以制备最小孔径为20 μm、深宽比5～8 的玻璃通孔。且聚焦放电产生玻璃通孔的方法可以制备多种类型的玻璃，如石英、钠钙玻璃、无碱玻璃、含碱玻璃[14]。图5 为聚焦放电制作的TGV 阵列，从图中可以看出，该方法能够制作均匀性较好、没有裂纹的高密度通孔；但是从玻璃通孔的切片结果来看，通孔的形状不是很垂直。

图4 聚焦放电制作TGV 的示意图[14]

图5 扫描电镜图[14]

2.4 等离子体刻蚀法

用等离子刻蚀法在石英玻璃上制作玻璃通孔步骤如下：1）在石英上蒸发沉积了一层铝层作为刻蚀硬掩模；2）通过光刻的方法暴露出玻璃表面需要光刻的位置；3）用氯气或者三氯化硼腐蚀暴露的铝层，用氧气等离子体去除玻璃表面的光刻胶；4）利用全氟环丁烷/氩气等离子体蚀刻石英以形成TGV[15]。其简要步骤如图6 所示。

图6 等离子体刻蚀法制作TGV

等离子体法刻蚀TGV 可以并行进行，同时进行大面积TGV 刻蚀，且侧壁粗糙度小（＜150 nm），侧壁无损伤，拥有良好的可靠性保证。但是等离子刻蚀TGV 的方法也还存在许多缺点。截至目前，阻碍干法刻蚀成孔大范围应用的的难点主要有：1）工艺复杂；2）成本高；3）刻蚀速率慢，速率小于1 μm/min。

2.5 激光烧蚀法

激光烧蚀TGV 制作是利用激光的能量将玻璃烧蚀以形成玻璃通孔。激光烧蚀所使用激光器主要包括飞秒激光、皮秒激光、纳秒准分子激光器和CO2激光器等。乔治亚理工学院研究人员分别采用CO2激光和准分子激光在玻璃上制作的通孔如图7 和图8 所示[16]。CO2激光属于“热激光”，其通过局部烧蚀玻璃材料形成TGV。但利用该种激光制备的TGV 侧壁裂纹较多（热应力问题）。准分子激光器属于“冷激光”，其烧蚀形成的TGV 孔壁基本上没有裂纹出现，但是孔壁的粗糙度略大（4～5 μm），且成孔效率较低。

图7 CO2激光制作通孔：光学显微镜图片[16]

图8 准分子激光制作通孔：SEM 图像[16]

2.6 电化学放电加工法

电化学放电加工法是一种将电火花加工（EDM）和电解加工（ECM）相结合的新型低成本玻璃微加工方法。该方法通过电解液的电化学放电和化学腐蚀产生的热熔作用，将材料从基板中去除。电化学加工的电解槽由一个碱性电解质溶液（氢氧化钾、氢氧化钠等）和两个电极组成，工具电极和对电极分别连接到电源的正、负端子上。当两个电极之间施加电位差时，在工具电极周围由于气泡的聚结而形成一层薄薄的氢气膜，该气体膜将工具电极与周围的电解液完全隔离。当电位差进一步增大时，上述氢气膜破裂，产生电化学放电，将玻璃融化并移除。该方法不仅工艺简单，且对设备要求较低，能快速加工出TGV。但是，截至目前该方法只能加工出孔径大于300 μm 且上开口大于下开口的锥形玻璃通孔，这也大大限制了该方法的应用范围[17-19]。图9 为电化学放电法制备TGV 装置。

图9 电化学放电法制备TGV 装置

2.7 激光诱导刻蚀法

通过脉冲激光诱导玻璃产生连续的变性区，相比未变性区域的玻璃，变性玻璃在氢氟酸中刻蚀速率较快，基于这一现象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。德国LPKF 公司率先用该技术实现了玻璃通孔制备[20]，该公司将该方法分为两步：1)使用皮秒激光在玻璃上产生变性区域；2)将激光处理过的玻璃放到氢氟酸溶液中进行刻蚀。国内，厦门云天半导体科技有限公司也利用激光诱导变性技术实现了低成本、高效率、高均匀性玻璃通孔/盲孔制作[21]，其简要步骤如图10 所示。

图10 激光诱导刻蚀制作TGV[21]

光学显微镜图像如图11 所示，该方法可以在50～500 μm 厚的玻璃上形成孔径大于20 μm 的玻璃通孔/盲孔。该技术的优点如下：1)成孔质量均匀，一致性好，无裂纹；2)成孔速率快，可达到290 TGV/s[21]；3)TGV 形貌可调，由于刻蚀的各向异性，可以通过调节激光参数来控制TGV 的垂直度和形貌。综合比较各种玻璃通孔制造技术，激光诱导刻蚀法具有低成本优势，有大规模应用前景。

图11 光学显微镜图像[21]

与传统的平面集成技术相比，玻璃通孔技术能够实现垂直互连，从而将集成空间扩展到了第三维度，显著提升了空间的利用率。TGV 成孔技术是目前玻璃通孔技术的难点之一，已报道有多种TGV 成孔方法，如喷砂法、光敏玻璃法、聚焦放电法、等离子刻蚀法、激光烧蚀、电化学、激光诱导刻蚀法。本节详细介绍了以上几种TGV 成孔方法，比较了不同制作方法的优缺点，最后的总结如表1 所示。

3 玻璃通孔填孔技术

除TGV 成孔技术外，限制玻璃通孔应用的另一个技术难点是高质量的金属填充。与TSV 不同，TGV孔径较大，且多为通孔，电镀时间长、成本高；另一方面，与硅材料不同，由于玻璃表面平滑，与常用金属（如Cu）的黏附性较差，容易造成玻璃衬底与金属层之间的分层现象，导致金属层卷曲甚至脱落等现象。

表1 不同TGV 成孔技术的优缺点

3.1 TGV 金属实孔填充

图12 玻璃转接板工艺流程示意图[22]

另外一个将TGV 填实的方案是使用金属导电胶进行TGV 填实[17]。利用金属导电胶的优点是固化后导电通孔的热膨胀系数可以调节，使其接近基材，避免了因CTE 不匹配造成的失效。通过对铜导电胶填充工艺的优化，实现了间距为130 μm、孔径为50 μm 的TGV 金属化。Cu 导电胶填充后的TGV 孔如图13 所示。研究表明，采用铜导电胶填充后的TGV 电导率约为1.6～1.9(Ω·m2)-1。该方法工艺简单，且能够在一定程度上降低TGV 金属化成本。但是，部分导电胶，特别是铜导电胶的电性能比较差，这也阻碍了该方法在高频电子器件或电子系统上的应用。

图13 采用铜导电胶填充后的TGV[17]

3.2 TGV 孔内电镀薄层

除TGV 电镀填实外，TGV 也可采用通孔内电镀薄层方案实现电学连接。研究表明，在电性能方面，薄层电镀与实心电镀的插入损耗差别较小。采用薄层电镀方案的优势是在保证电学性能的同时可以有效减小电镀时间和电镀成本。通常电镀填孔需要沉积金属粘附层如钛(Ti)、铬(Cr)等，种子层Cu，然后进行电镀。旭硝子公司的研究结果显示Cr 层与ENA 1 玻璃的粘附性最好（347.8 mN），大于硅与钨化钛（TiW）金属层间的244.1 mN。清华大学研究了关于在康宁公司的玻璃上溅射不同种类（TiW、Ti、Cr、Cu）、不同厚度（50 nm、100 nm、150 nm）金属材料以及不同玻璃表面粗糙度的对比实验，并进行了划痕测试。研究表明，在进行的实验中，50 nm 的TiW 在粗糙度为4.4 nm 的玻璃衬底上黏附性最强[23]。

但是，对于高深宽比通孔来说，物理气相沉积的设备和工艺过于昂贵。因此，近年来研发人员在开发采用化镀Cu 种子层的低成本TGV 填充方案，然后再通过半加成法（SAP）在光刻胶图形上电镀出Cu 线路。由于玻璃与金属Cu 之间热膨胀系数不同（玻璃为3×10-6/K，Cu 为17×10-6/K），化学结构存在明显差异，并且玻璃具有非常光滑的表面，导致玻璃与化镀Cu 之间的黏附力差，需要特殊的处理来提高结合力。美国安美特公司报道了金属氧化物黏附增强方法[25-26]，通过把玻璃基板浸入化学药液，覆盖纳米厚度的金属氧化物助黏胶形成黏附层提高化镀Cu 层的黏附力，9 nm厚度黏附层图片如图14 所示。当黏附层的厚度增加至5～20 nm 时，Cu 与玻璃之间的剥离强度达到6 N/cm 以上。但是，截至目前通过黏附层提高结合力的机理尚不清楚，可能原因是由于黏附层纳米尺度的机械钉扎作用以及化学反应结合共同作用的结果[24]。此外，乔治亚理工学院研发人员将环氧聚合物干膜贴在玻璃表面，提高化镀Cu 与玻璃之间的结合力[27-28]。在薄玻璃衬底上层压介质层，在增强玻璃衬底机械强度的同时，可以作为表面RDL 的黏附层，增强抗剥离强度。采用该方案得到的结果如图15 所示。该方案存在的主要问题是增加了工艺，表面聚合物膜需要通过激光或干法刻蚀，而且由于孔内没有聚合物涂敷，在可靠性方面可能存在失效风险。为了进一步简化工艺，ONITAKE 等开发了基于254 nm 光波的紫外光清洗后直接化镀Cu 工艺[29]。紫外光清洗技术是利用有机化合物的光敏氧化作用去除黏附在材料表面的有机物质，碳氢化合物吸收能量后分解成离子、游离态原子、受激分子和中子，经过清洗后的材料表面可以达到原子级清洁度。测试结果显示Cu 与玻璃之间的剥离强度为3.5 N/cm。

图14 金属氧化物粘附层透射电镜(TEM)图片[25]

图15 聚合物干膜方案TGV 金属化后的结果

4 玻璃通孔高密度布线

4.1 线路转移（CTT）和光敏介质嵌入（PTE）

相对于有机衬底而言，玻璃表面的粗糙度小，所以在玻璃上可以进行高密度布线。佐治亚理工对玻璃转接板高密度布线做了很多研究。由于半加成工艺法在线宽小于5 μm 的时候会面临许多挑战，例如在窄间距内刻蚀种子层容易对铜走线造成损伤且窄间距里的种子层残留易造成漏电。刘富汉等开发了CTT 和PTE 技术[30]。CTT 主要包括两个过程。1)精细RDL 线预制。每一RDL 层可以在可移动载体上单独制造一层薄导电层，并在转移到基板上之前测试或检查细线成品率。精细线路的形成采用细线光刻和电解镀铜的方法，并且以薄铜箔作为镀层的种子层。工艺流程如图16(a)所示。2)RDL 层集成到基板上。RDL 层被制造出来后，它们在使用热压合的同时被转移到核心层的两边，该步骤如图16(b)所示。

图16 线路转移过程[30]

PTE 工艺可分为两个不同的步骤：1)在光敏电介质层中形成精细的沟槽；2)金属化，包括种子层沉积、电镀和表面除铜。PTE 详细工艺流程如图17 所示。首先刻蚀基板下侧铜箔，并使用真空压膜机在基板上侧压合感光膜，在光刻图案化后下一步是种子层沉积，采用物理气相沉积（PVD）分别沉积Ti 和Cu 作为阻挡层和种子层，接着采用电镀工艺填充沟槽，沟槽填充完后，使用化学腐蚀剂刻蚀掉上表面的铜从而露出线路。如图18 所示，刘富汉等使用CTT 和PTE 两种方法分别达到了RDL 1.5 μm 和2 μm 的线宽线距。

4.2 多层RDL 的2.5D 玻璃转接板技术

乔治亚理工学院的LU 等研究了多层RDL 的2.5D 玻璃转接板技术，实现了面板级光刻后1.5～5 μm的线条沟槽制备，并提出改进式半加成工艺法（SAP）达到了5 μm 以下低成本的线宽制作工艺[31]，即用旋转金刚刀取代昂贵的CMP 对层间RDL 表面平坦化，进而做到低成本多层RDL 堆叠。其工艺步骤如图19 所示。首先在第一层RDL 的基础上进行压膜，然后通过显影制作通孔并暴露出第一层RDL 的铜焊盘，接着进行种子层溅射。溅射完成后，将高分辨率的光刻薄膜层压在基板上侧并进行高精度的曝光、显影。完成上述步骤后，采用电镀工艺填充通孔并用旋转金刚刀进行表面平坦化，最后去除光刻薄膜并完成种子层刻蚀。通过上述工艺得到的多层RDL 堆叠结果如图20所示。

图17 PTE 工艺流程[30]

图18 使用CTT 和PTE 两种方法制作的RDL[30]

图19 采用改进式SAP 制作多层RDL 的工艺流程[31]

图20 TGV 金属化后的多层RDL 堆叠结果[31]

5 玻璃通孔技术的应用

与硅基转接板相比，玻璃通孔转接板具有更为优良的电学特性和材料特性，因此具有广泛的应用前景。下面对玻璃通孔转接板的几个典型应用进行综述。

5.1 玻璃基板的三维集成无源元件

玻璃基板具有优异的高频电学性能，因此被广泛应用于集成无源元件(IPD)之中。2010 年，乔治亚理工的封装中心率先完成了基于TGV 的滤波器设计与制作，并与相同的硅基电感对比，其中的电感结构采用TGV 互连形成了高Q 值的三维(3D)螺旋电感，展现了玻璃材料的优良电学特性[32]。2017 年，日月光集团（ASE）的研究人员在玻璃基板上实现了面板级的IPD制作工艺，通过该工艺，成功在408 mm×512 mm 的长方形玻璃基板上制作IPD，如图21 所示，该方案板材翘曲可控制在1 mm 以内，并且无明显的结构剥落/分层现象[33]，该方案进一步降低了IPD 制作的成本。

图21 面板上制作的IPD 与203 mm 晶圆上制作的IPD 的对比[33]

2017 年ASE 的LEE 等采用玻璃通孔制作3D 电感，并利用晶圆级集成工艺的优势，将射频ASIC 模块与玻璃IPD 模块集成，形成晶圆级芯片封装（WLCSP）[34]。该工艺从TGV 金属化和充填工艺开始，然后进行标准的晶圆级IPD 工艺来完成前端结构。正面结构由电容器、RDL 和凸点下金属（UBM）组成，然后将晶圆送到装配工厂进行晶圆级装配。装配完成后，再经过背面加工，形成3D 电感和焊球焊盘。背面工艺包括玻璃晶片减薄、背面RDL 和钝化工艺。最后是制作锡球和切割以形成WLCSP。最终得到如图22 所示的芯片。

图22 WLCSP[34]

5.2 嵌入式玻璃扇出与集成天线封装

玻璃通孔技术不仅可以用于制作TGV，还可以在玻璃上制作空腔，进而为芯片的封装提供一种名为嵌入式玻璃扇出（eGFO）的新方案。2017 年乔治亚理工的3D 系统封装研究中心率先实现了用于高I/O 密度和高频多芯片集成的玻璃面板扇出(GFO)封装。该技术在70 μm 厚、大小为300 mm×300 mm 的玻璃面板上完成26 个芯片的扇出封装，并有效控制芯片偏移和翘曲[35]。2020 年厦门云天半导体科技公司采用嵌入式玻璃扇出技术开发了77 GHz 汽车雷达芯片的封装，并在此基础上提出了一种高电性能的天线封装（AiP）方案[36]。该方案具体工艺流程如图23 所示。在厚度为180 μm 的玻璃晶片中，先采用激光诱导玻璃变性和化学腐蚀工艺形成玻璃空腔，然后将175 μm 高的芯片放入玻璃空腔中。通过复合材料将芯片与玻璃之间的缝隙填压而不产生空隙，同时保护芯片的背面。对晶圆的顶面进行剥离，形成铜RDL，最后进行后续线路制作、球栅阵列(BGA)制作以及晶圆切片，最终得到如图24 所示的芯片。

图23 eGFO 封装的工艺流程

图24 基于eGFO 封装的77 GHz 芯片[36]

2020 年乔治亚理工的TUMMALA 等首次在100 μm 的玻璃基板上实现了在n257 频段(26.5～29.5 GHz)的芯片嵌入毫米波天线集成模块，该方案的工艺流程如图25 所示，首先在玻璃上制作2.5 mm×1.77 mm 的空腔，然后将芯片放入其中并完成后续线路制作，从而得到应用于n257 频段的毫米波天线[37]；相比于倒装芯片嵌入技术，该方案具有更低的信号损耗。

图25 5G 毫米波集成天线封装流程[37]

5.3 基于玻璃通孔的微机电系统封装

玻璃转接板相比于硅转接板具有一系列的优势，因此它也被广泛应用于MEMS 封装中，2013 年，LEE等利用玻璃通孔技术实现射频MEMS 器件的晶圆级封装，采用电镀方案实现通孔的完全填充，通过该方案制作的射频MEMS 器件在20 GHz 时具有0.197 dB的低插入损耗和20.032 dB 的高返回损耗，在40 GHz以内具有稳定的射频性能[38]。2016 年，厦门大学的马盛林等提出了一种基于TGV 转接板的惯性MEMS 器件晶圆级封装方案。在400 μm 厚的玻璃基板上制作TGV 通孔，后续金属化则采用溅射Al 的方案，最终实现了一个MEMS 加速计的封装制作[39]；工艺加工结果如图26 所示。2018 年，LAAKSO 等创造性地使用磁辅助组装的方式来填充玻璃通孔，并且将该技术应用于MEMS 器件的封装中，如图27 所示。

图26 基于TGV 转接板的MEMS 加速计[39]

图27 采用磁辅助组装在玻璃基板上实现MEMS 封装[40]

通过该方法填充的TGV 具有低电阻、高集成密度的特点，同时能够有效改善金属与玻璃间不匹配的问题[40]。

5.4 基于TGV 工艺的集成天线

厦门大学的张淼等基于先进封装及微纳制造技术制备了高频波导缝隙天线[41]，创新性地引入TGV 加工波导缝隙天线。首先采用激光诱导刻蚀制备波导缝隙阵列天线玻璃衬底，通过激光在玻璃上诱导产生连续的变性区，后将变性后玻璃在稀释氢氟酸中进行刻蚀，由于激光作用处的玻璃在氢氟酸中刻蚀速率较快，所以玻璃会成块脱落从而形成目标通孔结构。最终刻蚀后的玻璃通孔精度为±5 μm，远远高于传统机加工的精度。其次，采用物理气相沉积对每层波导缝隙阵列天线玻璃衬底溅射铜层，经过氧等离子体清洗以彻底清除焊盘表面的有机物等颗粒，并使晶圆表面产生一定粗糙度，为种子层的良好附着创造条件。清洗后的晶圆在烤箱150 ℃下烘烤60 min 彻底去除水汽。然后在磁控溅射设备中，晶圆表面溅射一层厚度约为5 μm 的铜层。最后，采用金属焊料键合技术将5片晶圆键合。用刮刀以及丝网将约10 μm 厚度的锡焊料印刷到晶圆表面，然后在键合机的真空腔室中以240 ℃的温度加热，以40 N 的压力压合5 min 使焊料融化或相互扩散以达到键合的目的。其工艺流程如图28 所示。通过以上加工工艺得到的高能太赫兹天线如图29 所示。

图28 基于TGV 工艺的高能太赫兹天线加工步骤

图29 基于TGV 工艺的高能太赫兹天线实物[41]

HWANGBO 等设计了一种紧凑、高功率高效的TGV-集成天线[42]，其原理如图30 所示，并将其应用于3D 系统封装（SiP）中的V 波段（40～75 GHz）无线平面内芯片到芯片（C2C）通信。其设计步骤如图31 所示。首先在玻璃基板上制作TGV，并进行玻璃清洗。在基板干燥后，将30 nm 的钛（Ti）溅射在玻璃基板的正面作为附着层，然后进行光刻胶干膜的压膜和光刻，接着采用溅射法制备Ti/Cu/Ti(30 nm/2 μm/30 nm)金属层作为传输线，对位于玻璃基板底部的圆盘溅射另一层Ti，并采用相类似的工艺沉积底部的Ti/Cu/Ti(30 nm/2 μm/30 nm)金属层，最后完成去胶和种子层刻蚀。

图30 TGV-集成天线原理[42]

图31 TGV-集成天线的工艺流程[42]

5.5 多层玻璃基板

随着5G 时代的到来，各种设备厂商对电子器件的性能提出了更高要求，这也推动着电子器件的封装技术从传统的2D 封装往2.5D 甚至3D 的方向发展。然而2.5D 和3D 封装都存在热膨胀系数不匹配的问题，2018 年IWAI 等使用导电胶填充玻璃通孔，从而实现多层玻璃基板堆叠，在回流过程中，通过该方案制作的多层玻璃基板的翘曲比传统有机基板要小，通过该技术可以实现高密度布线，同时具有较高的可靠性[43]。2019 年，IWAI 等在多层玻璃基板技术的基础上完成了一个多芯片封装的结构[44]，其工艺流程如图32所示。首先用激光诱导玻璃变性和湿法刻蚀技术在玻璃上形成TGV，并制作种子层；其次，使用半加法工艺制作布线图案；再次，用激光在干燥的树脂层压膜上制作通孔并进行丝网印刷工艺；之后，将单层基片叠放在一起，然后用真空热压机将导电浆料和干膜熔化；最后将多个芯片对齐安装。通过以上工艺制作的多芯片模块如图33 所示。

图32 基于玻璃基板的多芯片模块的制作工艺[44]

图33 基于玻璃基板的多芯片模块[44]

5.6 基于玻璃基板的硅光集成技术

玻璃转接板除了应用于电子封装领域，在光电领域也有广泛应用。2010 年，IZM 联合肖特公司发布了面板玻璃转接板的制作样品，并在上方集成了一个4通道的双向光电收发模块，单通道的传输速率为10 Gbit/s，功耗仅有592 mW[45]。2015 年，研究者第一次在光电基板（EOCB）上实现了对平面多模玻璃基波导和球形反光镜的集成，为解决将来超级计算机和数据存储网络的需求打下基础[46]。图34、35 分别为IZM 的应用于光电领域的玻璃转接板样品以及EOCB 叠层设计示意图。

图34 IZM 光电领域的玻璃转接板样品[45]

图35 EOCB 叠层设计示意图[46]

6 结论

随着半导体行业的飞速发展，半导体器件逐渐朝着高频、大功率、小尺寸的方向发展。玻璃通孔互连技术具有突出的电学性能和良好的力学、光学性能，在先进封装和无源器件制造等领域具有巨大的应用潜力，近年来得到了突破性的发展。本文综述了国内外TGV 成孔技术和进展，主要包括喷砂法、光敏玻璃法、聚焦放电法、等离子刻蚀、激光烧蚀、电化学放电法和激光诱导玻璃变性法，并对比了以上几种技术的优缺点；总结了几种高可靠性通孔金属填充技术以及高深宽比高密度布线技术；最后总结了玻璃通孔技术的应用进展，说明玻璃通孔技术在2.5D/3D 封装和高频、高性能、低成本电子器件等重要领域上具有广泛的应用前景。