先進封裝：TSV硅通孔 與 TGV 玻璃通孔

一、TSV：硅通孔技術(shù)，芯片垂直堆疊互連的關(guān)鍵技術(shù)

硅通孔技術(shù)（TSV，Through Silicon Via）是一種前沿的封裝技術(shù)，通過在硅片中垂直穿透，實現(xiàn)不同芯片或?qū)又g的功能集成。TSV 主要采用銅等導電材料填充硅通孔，以實現(xiàn)硅片內(nèi)部的垂直電氣連接。這種技術(shù)能夠減少信號傳輸?shù)难舆t，降低電容和電感，從而實現(xiàn)芯片的低功耗和高速通信，提升帶寬，并滿足器件集成的小型化需求。在此之前，芯片之間的大多數(shù)連接都是水平的，TSV 的誕生讓垂直堆疊多個芯片成為可能。Wire bonding（引線鍵合）和 Flip-Chip（倒裝焊）的 Bumping（凸點）提供了芯片對外部的電互連，RDL(再布線)提供了芯片內(nèi)部水平方向的電互連，TSV 則提供了硅片內(nèi)部垂直方向的電互連。

1、TSV 三種主要應用方向：背面連接、2.5D 封裝、3D 封裝

(a)背面連接 -- 用于 CIS 和鍺化硅（SiGe）功率放大器

垂直的芯片連接無芯片堆疊，只是“簡單的背面連接”。TSV 位于有源晶粒（active die）中，用于連接至晶圓背面的焊盤（bond pad）。在TSV 三種主要應用方式中，簡單的背面連接結(jié)構(gòu)是技術(shù)難度最低的，也是 TSV技術(shù)首次大規(guī)模投入生產(chǎn)時的應用方向，如 CMOS 圖像傳感器（CIS）、SiGe 功率放大器兩個產(chǎn)品就應用了 TSV 技術(shù)。

將 TSV 用于 CMOS 圖像傳感器有許多優(yōu)點：

●  使用 TSV 代替引線鍵合可以減小相機模組的尺寸。引線鍵合作為傳統(tǒng)的芯片封裝方法，需要在芯片周圍布置引線，增加了封裝的尺寸和高度，且引線的存在限制了芯片與基板之間的緊湊布局，繼而無法實現(xiàn)高密度的集成。而TSV的垂直連接讓信號從芯片背面引出，無需布置引線，減少了封裝的橫向尺寸。且沒有引線的高度，封裝的高度也進一步減小。

●  簡化了圖像傳感器的晶圓級封裝（WLP），在晶圓尚未被切割成單個芯片之前直接在整片晶圓上完成封裝。WLP 工藝的第一步是將玻璃晶圓附著到圖像傳感器的正面，防止光刻膠(抗蝕劑)微透鏡在組裝過程中受到損壞和污染。然而由于玻璃晶圓貼合在晶圓正面后，焊盤被玻璃覆蓋，無法從正面接觸到焊盤，導致安裝好玻璃晶圓后會使從晶圓正面到焊盤的連接途徑受阻。TSV 通過簡化晶圓級封裝，在芯片內(nèi)部制作TSV，使芯片背面形成新的焊盤和焊接凸點（bump），可以直接與封裝基板連接。將信號從正面，對受阻問題提供了簡易的解決方法。

(b) 2.5D 封裝

晶粒（die）連接至硅中介層（interposer），TSV 在中介層中；

與簡單的背面連接相比，2.5D 先進封裝的硅中介層需要更小的 TSV 間距（≤50 μm），因此需要更先進的 TSV 工藝。

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件是最早使用硅中介層的產(chǎn)品之一，是一種高度集成的數(shù)字電路，可在產(chǎn)品出廠后由用戶在現(xiàn)場（即使用環(huán)境中）通過硬件描述語言（HDL）進行編程，以實現(xiàn)特定的數(shù)字邏輯功能：硅中間層可以使芯片間密切連接，整合后的結(jié)構(gòu)看起來像單個大尺寸的 FPGA 芯片，解決了早期直接構(gòu)建單個大尺寸 FPGA 芯片的技術(shù)難題。

(c) 3D 封裝

TSV 位于有源晶粒中，用于實現(xiàn)芯片堆疊。

儲器堆疊是首批應用 3D 堆疊 TSV 結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品之一，和 2.5D 封裝中硅中階層對 TSV 間距的需求相似，但實際應用中難度更高，例如寬 I/O DRAM 設備。使用寬 I/O DRAM 和芯片堆疊的優(yōu)勢包括封裝高度降低40%，功耗降低50%，帶寬增加 6 倍。

2、TSV關(guān)鍵工藝

TSV 工藝包括深硅刻蝕形成微孔，再進行絕緣層、阻擋層、種子層的沉積，深孔填充，退火，CMP 減薄，Pad 的制備疊加等工藝技術(shù)。這些步驟都是在晶圓級別完成的，優(yōu)勢在于能夠同時加工整片晶圓上的所有芯片，提高生產(chǎn)效率，且在晶圓級別上更容易實現(xiàn)納米級的精度，確保器件性能一致性。

1）孔成型：

孔成型的方式有激光打孔、干法刻蝕、濕法刻蝕等?；谏罟杩涛g（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）的 Bosch工藝是目前應用最廣泛工藝。反應離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）工藝是采用物理轟擊和化學反應雙重作用的刻蝕，Bosch 工藝通過刻蝕和保護交替進行來提高 TSV 的各向異性，保證 TSV 通孔垂直度。

2）沉積絕緣層：

TSV 孔內(nèi)絕緣層用于實現(xiàn)硅襯底與孔內(nèi)傳輸通道的絕緣，防止 TSV通孔之間漏電和串擾。TSV 孔壁絕緣介質(zhì)材料選用無機介質(zhì)材料，包括PECVD、SACVD、ALD 和熱氧化法。

3）沉積阻擋層/種子層：

在2.5D TSV 中介層工藝中，一般使用銅作為 TSV 通孔內(nèi)部金屬互聯(lián)材料。在電鍍銅填充 TSV 通孔前，需在 TSV 孔內(nèi)制備電鍍阻擋/種子層，一般選用 Ti、Ta、TiN、TaN 等材料。TSV 電鍍種子層起著與電鍍電極電連接并實現(xiàn) TSV 孔填充的作用。

4）電鍍填充工藝：

TSV 深孔的填充技術(shù)是 3D 集成的關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到后續(xù)器件的電學性能和可靠性?？梢蕴畛涞牟牧习ㄣ~、鎢、多晶硅等。目的是建立垂直導電通道，實現(xiàn)芯片內(nèi)部不同層之間的電氣連接。填充質(zhì)量直接影響后續(xù)器件的電學性能和可靠性。

5）CMP（化學機械拋光）工藝和背面露頭工藝：

前面的步驟中，我們沉積了絕緣層、阻擋層和種子層，但這些材料不僅覆蓋了TSV 孔的內(nèi)部，也覆蓋了晶圓的表面，形成了多余的材料，稱為“過度沉積”或“過量材料”。如果不去除表面多余的材料，可能會導致光刻圖形失真，影響器件性能，而且表面殘留的導電材料可能在不同的 TSV 之間形成導電路徑，導致短路。

CMP 技術(shù)用于去除硅表面的二氧化硅介質(zhì)層、阻擋層和種子層。TSV 背面露頭技術(shù)也是 2.5DTSV 轉(zhuǎn)接基板的關(guān)鍵工藝，包括晶圓減薄、干/濕法刻蝕工藝。

6）晶圓減?。?/span>

晶圓表面平坦化后，還需要進行晶圓背面的減薄使 TSV 露出，傳統(tǒng)的晶圓減薄技術(shù)包括機械磨削、CMP 和濕法腐蝕等。目前業(yè)界主流的解決方案是將晶圓的磨削、拋光、保護膜去除和劃片膜粘貼等工序集合在一臺設備內(nèi)。

二、TGV(玻璃通孔/Through Glass Via）

TGV技術(shù)是TSV技術(shù)的延續(xù)，主要區(qū)別在于引入了基板種類的變化。TSV（Through Silicon Via）是指通過在硅中介層打孔的方式實現(xiàn)實現(xiàn)垂直互聯(lián)，而與之對應的TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）是指穿過玻璃基板的垂直電氣互連，它們都通過在中介層打孔并進行電鍍填充來實現(xiàn)垂直方向的電氣互聯(lián)，以此來降低信號傳輸?shù)木嚯x，增加帶寬和實現(xiàn)封裝的小型化。而與TSV不同的是，TGV的中介層基板使用的是高品質(zhì)硼硅玻璃、石英玻璃，以此來取得比硅中介層更好的封裝表現(xiàn)，被認為是下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。

作為替代硅基中介板的材料，TGV/玻璃通孔中介板成為行業(yè)研究熱點。

1、玻璃通孔成孔技術(shù)：如何制作高精度的通孔/盲孔

玻璃通孔成孔技術(shù)是制約TGV發(fā)展的主要困難之一。TGV通孔的制備需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求，如何制備出高深寬比、窄節(jié)距、高垂直度、高側(cè)壁粗糙度、低成本的玻璃微孔一直是多年來各種研究工作的重心。目前主流的玻璃通孔加工成型方法有噴砂法、聚焦放電法、等離子刻蝕法、激光燒蝕法、電化學放電法、光敏玻璃法、激光誘導刻蝕法等。

1） 噴砂法：加工精度較低，應用場景較少

加工步驟：噴砂法要求在加工前先在玻璃基板上制作一層復合掩模，然后以制備的復合掩模為基礎，采用干粉噴砂工藝對玻璃晶片進行蝕刻?？紤]到蝕刻效率和寬高比，可在玻璃晶片的一側(cè)先蝕刻一次，隨后在玻璃晶片的另一側(cè)也采用同樣的工藝步驟進行蝕刻，兩次噴砂蝕刻過程中必須保證中心點完全對稱以形成完整的通孔。

工藝特點：由于噴砂法制作的通孔非常粗糙，孔孔徑較大且一致性較差，所以該方法只能制作孔徑較大(>200 μm)、間距較大的玻璃通孔，而逐漸退出三維集成封裝的應用范疇；同時，該工藝中使用的沙粒直徑一般為20~50μm，如此大的顆粒碰撞會對玻璃表面以及孔的側(cè)壁造成封裝系統(tǒng)無法接受的損傷，以此少見于先進封裝工藝。

2）聚焦放電法：通孔均勻性好，生產(chǎn)效率較低

加工步驟：聚焦放電主要包括兩個步驟：1. 將玻璃放在兩個電極之間，通過控制放電對玻璃局部區(qū)域進行放電熔融；2. 通過焦耳熱使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生高應力，引起內(nèi)部高壓和介電擊穿，上述步驟可以在不到1 μs的時間內(nèi)就完成100~500 μm厚的玻璃通孔制備，可以制備最小孔徑為20μm、深寬比5~8的玻璃通孔。

工藝特點：聚焦放電產(chǎn)生玻璃通孔的方法可以制備多種類型的玻璃，如石英、鈉鈣玻璃、無堿玻璃、含堿玻璃等，且從聚焦放電制作的TGV陣列可以看出，該方法能夠制作均勻性較好、沒有裂紋的高密度通孔。但由于此方法是單次進行單孔制作，所以生產(chǎn)效率較低，且從玻璃通孔的切片結(jié)果來看，通孔的形狀不是很垂直，可能會影響后續(xù)填充的效果。

3） 等離子體刻蝕：通孔可靠性提高，工藝成本較高

加工步驟：用等離子刻蝕法在石英玻璃上制作玻璃通孔步驟如下：1. 在石英上蒸發(fā)沉積了一層鋁層作為刻蝕硬掩模；2. 通過光刻的方法暴露出玻璃表面需要光刻的位置；3. 用氯氣或者三氯化硼腐蝕暴露的鋁層，用氧氣等離子體去除玻璃表面的光刻膠；4. 利用全氟環(huán)丁烷/氬氣等離子體蝕刻石英以形成TGV。

工藝特點：等離子體法刻蝕TGV可以同時進行大面積的多個TGV刻蝕，因此生產(chǎn)效率相較聚焦放電法可以得到改善，且因為其側(cè)壁粗糙度?。?/span><150nm）、側(cè)壁無損傷，擁有良好的可靠性保證。但是等離子刻蝕TGV的方法也還存在許多缺點，包括工藝復雜，需要額外的多個步驟；生產(chǎn)成本高，需要用到掩膜版、光刻膠等；以及刻蝕速率慢，速率小于1 μm/min。

4) 激光燒蝕法：通孔垂直度較高，但粗糙度、無裂紋無法兼顧

激光燒蝕TGV制作是利用激光的能量將玻璃燒蝕以形成玻璃通孔，可制備出垂直度高的玻璃通孔。激光燒蝕所使用激光器主要包括飛秒激光、皮秒激光、納秒準分子激光器和CO2激光器等。其中CO2激光屬于“熱激光”，其通過局部燒蝕玻璃材料形成TGV，但利用該種激光制備的TGV側(cè)壁裂紋較多（熱應力問題）；準分子激光器屬于“冷激光”，其燒蝕形成的TGV孔壁基本上沒有裂紋出現(xiàn)，但是孔壁的粗糙度略大（4~5 μm），且成孔效率較低。

5）電化學放電加工法：工藝簡單設備要求低，但可加工孔徑較大

加工步驟：電化學放電加工法是一種將電火花加工（EDM）和電解加工（ECM）相結(jié)合的新型低成本玻璃微加工方法。該方法通過電解液的電化學放電和化學腐蝕產(chǎn)生的熱熔作用，將材料從基板中去除。電化學加工的電解槽由一個堿性電解質(zhì)溶液（氫氧化鉀、氫氧化鈉等）和兩個電極組成，工具電極和對電極分別連接到電源的正、負端子上。當兩個電極之間施加電位差時，在工具電極周圍由于氣泡的聚結(jié)而形成一層薄薄的氫氣膜，將工具電極與周圍的電解液完全隔離。當電位差進一步增大時，氫氣膜破裂，產(chǎn)生電化學放電，并將將玻璃融化并移除。

工藝特點：該方法不僅工藝簡單，且對設備要求較低，能快速加工出TGV。但是目前該方法只能加工出孔徑大于300 μm且上開口大于下開口的錐形玻璃通孔，這也大大限制了該方法的應用范圍。

6）光敏玻璃法：高密度、高深寬比通孔，但成本較高、材料受限

加工步驟：光敏玻璃法是指根據(jù)光敏玻璃材料特性，利用紫外曝光、熱處理、濕法刻蝕等方法實現(xiàn)玻璃通孔加工的工藝流程。加工前需先將玻璃進行預處理，即將玻璃先后放入異丙醇和丙酮中分別超聲清洗10min取出后用氮氣吹干，除去玻璃表面雜質(zhì)，隨后先通過紫外光對光敏玻璃進行曝光，并在馬弗爐中進行熱處理以讓紫外線照射過的區(qū)域材料變性成為陶瓷材料，最后通過氫氟酸溶液進行濕法刻蝕來去除陶瓷材料，整個加工過程中需要精密的溫度控制。

工藝特點：基于光敏玻璃的TGV制作方法優(yōu)勢在于采用高刻蝕速率的濕法腐蝕可以實現(xiàn)各向異性刻蝕，從而獲得高密度、高深寬比的玻璃通孔。但是該技術(shù)也存在兩個問題：1. 價格昂貴，光敏玻璃本身的材料價格和工藝制程價格都相對較高；2. 對于不同尺寸的圖形，尤其是盲孔或者盲槽的刻蝕，由于腐蝕速率不同會造成圖形定義精度差別較大；3. 由于需要高溫處理，會導致玻璃在半固化狀態(tài)下移動，造成結(jié)構(gòu)偏移。

7） 激光誘導刻蝕法：目前最有大規(guī)模使用前景的工藝

加工步驟：通過脈沖激光誘導玻璃產(chǎn)生連續(xù)的變性區(qū)，相比未變性區(qū)域的玻璃，變性玻璃在氫氟酸中刻蝕速率較快，基于這一現(xiàn)象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。根據(jù)《玻璃通孔三維互連鍍銅填充技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀》（紀執(zhí)敬等），德國LPKF公司率先用該技術(shù)實現(xiàn)了玻璃通孔制備，該公司將該方法分為兩步：1. 使用皮秒激光在玻璃上產(chǎn)生變性區(qū)域；2. 將激光處理過的玻璃放到氫氟酸溶液中進行刻蝕，該工藝可以制備孔徑最小為10μm的TGV通孔，典型深寬比在10:1的范圍內(nèi)，某些特殊條件下根據(jù)玻璃類型可達到50:1。國內(nèi)方面，廈門云天半導體科技有限公司成功開發(fā)了先進TGV激光刻蝕技術(shù)，實現(xiàn)了深寬比為10:1的玻璃通孔量產(chǎn)，研發(fā)結(jié)果顯示，該技術(shù)可以制備深寬比為20:1的通孔和5:1的盲孔，且具備較好的形貌。

工藝特點：激光誘導刻蝕法的反映機理與上文展示的光敏玻璃法類似，都是通過某種光線的照射使得玻璃內(nèi)部出現(xiàn)變性區(qū)域，然后通過酸溶液濕法刻蝕完成，區(qū)別在于激光誘導刻蝕法對無需使用特殊的光敏玻璃。此外，激光誘導刻蝕法的優(yōu)勢還包括：1.可以在50~500μm 厚的玻璃上形成孔徑大于20 μm的玻璃通孔，成孔質(zhì)量均勻，一致性好，無裂紋；2. 成孔速率快，可達到290TGV/s；3. TGV形貌可調(diào)，由于刻蝕的各向異性，可以通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)來控制TGV的垂直度和形貌。但也具有激光誘導速度慢、制備過程復雜、激光誘導孔徑受激光范圍限制、表面易損傷及對材料要求高等缺點。

綜合比較各種玻璃通孔制造技術(shù)，激光誘導刻蝕法具有低成本優(yōu)勢，有大規(guī)模應用前景。

2、TGV填充

簡單的說就是：類似硅通孔（TSV）的金屬填充方案也可以應用在玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)上。首先，制作玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)盲孔；其次，通過物理氣相沉積（PVD）的方法在玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)盲孔內(nèi)部沉積種子層；再次，自底向上電鍍，實現(xiàn)TGV 的無縫填充；最后，通過臨時鍵合，背面研磨、化學機械拋光（CMP）露銅，解鍵合，形成玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)金屬填實轉(zhuǎn)接板。

另外一個將玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)填實的方案是將金屬導電膠進行玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)填實。利用金屬導電膠的優(yōu)點是固化后導電通孔的熱膨脹系數(shù)可以調(diào)節(jié)，使其接近基材，避免了因CTE不匹配造成的失效。

除了玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)電鍍填實外，玻璃通孔（TGV）工藝技術(shù)也可以采用通孔內(nèi)電鍍薄層方案實現(xiàn)電學連接。

三、玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工藝技術(shù)的對比

玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工藝技術(shù)相比，玻璃通孔(TGV)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、優(yōu)良的高頻電學特性

玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個數(shù)量級，使得襯底損耗和寄生效應大大減小，保證了傳輸信號的完整性；在高頻通信系統(tǒng)（如5G、6G）中，信號頻率達到數(shù)十GHz甚至更高，襯底損耗和寄生效應對信號質(zhì)量的影響變得更加明顯。使用玻璃通孔（TGV）技術(shù)，可以有效降低這些不利因素，確保系統(tǒng)的高性能和可靠性。

2、大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取

Corning、Asahi以及SCHOTT等玻璃廠商可以提供超大尺寸（>2m × 2m）和超薄（<50µm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料。而硅材料在變薄后（例如小于100微米）會變得脆弱，易碎裂，處理和加工難度增加；且薄硅片容易產(chǎn)生翹曲，影響后續(xù)工藝的準確性和可靠性。

3、低成本

受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8；

4、工藝流程簡單

不需要在襯底表面及玻璃通孔(TGV)內(nèi)壁沉積絕緣層，且超薄轉(zhuǎn)接板中不需要減?。?/span>

5、機械穩(wěn)定性強

即便當轉(zhuǎn)接板厚度小于100µm時，翹曲依然較??；

6、應用領(lǐng)域廣泛

它是一種應用于晶圓級封裝領(lǐng)域的新興縱向互連技術(shù)，為實現(xiàn)芯片-芯片之間距離最短、間距最小的互聯(lián)提供了一種新型技術(shù)途徑，具有優(yōu)良的電學、熱學、力學性能，在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統(tǒng)集成等領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢，是下一代5G、6G高頻芯片3D封裝的首選之一。