先進封裝：TSV硅通孔 與 TGV 玻璃通孔

一、TSV：硅通孔技術，芯片垂直堆疊互連的關鍵技術

硅通孔技術（TSV，Through Silicon Via）是一種前沿的封裝技術，通過在硅片中垂直穿透，實現不同芯片或層之間的功能集成。TSV 主要采用銅等導電材料填充硅通孔，以實現硅片內部的垂直電氣連接。這種技術能夠減少信號傳輸的延遲，降低電容和電感，從而實現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)提供了芯片內部水平方向的電互連，TSV 則提供了硅片內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，簡單的背面連接結構是技術難度最低的，也是 TSV技術首次大規模投入生產時的應用方向，如 CMOS 圖像傳感器（CIS）、SiGe 功率放大器兩個產品就應用了 TSV 技術。

將 TSV 用于 CMOS 圖像傳感器有許多優點：

●  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品之一，是一種高度集成的數字電路，可在產品出廠后由用戶在現場（即使用環境中）通過硬件描述語言（HDL）進行編程，以實現特定的數字邏輯功能：硅中間層可以使芯片間密切連接，整合后的結構看起來像單個大尺寸的 FPGA 芯片，解決了早期直接構建單個大尺寸 FPGA 芯片的技術難題。

(c) 3D 封裝

TSV 位于有源晶粒中，用于實現芯片堆疊。

儲器堆疊是首批應用 3D 堆疊 TSV 結構的產品之一，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 和芯片堆疊的優勢包括封裝高度降低40%，功耗降低50%，帶寬增加 6 倍。

2、TSV關鍵工藝

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。這些步驟都是在晶圓級別完成的，優勢在于能夠同時加工整片晶圓上的所有芯片，提高生產效率，且在晶圓級別上更容易實現納米級的精度，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。基于深硅刻蝕（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 孔內絕緣層用于實現硅襯底與孔內傳輸通道的絕緣，防止 TSV通孔之間漏電和串擾。TSV 孔壁絕緣介質材料選用無機介質材料，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 通孔內部金屬互聯材料。在電鍍銅填充 TSV 通孔前，需在 TSV 孔內制備電鍍阻擋/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 TSV 孔填充的作用。

4）電鍍填充工藝：

TSV 深孔的填充技術是 3D 集成的關鍵技術，直接關系到后續器件的電學性能和可靠性。可以填充的材料包括銅、鎢、多晶硅等。目的是建立垂直導電通道，實現芯片內部不同層之間的電氣連接。填充質量直接影響后續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 技術用于去除硅表面的二氧化硅介質層、阻擋層和種子層。TSV 背面露頭技術也是 2.5DTSV 轉接基板的關鍵工藝，包括晶圓減薄、干/濕法刻蝕工藝。

6）晶圓減薄：

晶圓表面平坦化后，還需要進行晶圓背面的減薄使 TSV 露出，傳統的晶圓減薄技術包括機械磨削、CMP 和濕法腐蝕等。目前業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。

二、TGV(玻璃通孔/Through Glass Via）

TGV技術是TSV技術的延續，主要區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實現垂直互聯，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垂直方向的電氣互聯，以此來降低信號傳輸的距離，增加帶寬和實現封裝的小型化。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，被認為是下一代三維集成的關鍵技術。

作為替代硅基中介板的材料，TGV/玻璃通孔中介板成為行業研究熱點。

1、玻璃通孔成孔技術：如何制作高精度的通孔/盲孔

玻璃通孔成孔技術是制約TGV發展的主要困難之一。TGV通孔的制備需要滿足高速、高精度、窄節距、側壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求，如何制備出高深寬比、窄節距、高垂直度、高側壁粗糙度、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。考慮到蝕刻效率和寬高比，可在玻璃晶片的一側先蝕刻一次，隨后在玻璃晶片的另一側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壁造成封裝系統無法接受的損傷，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域進行放電熔融；2. 通過焦耳熱使玻璃內部產生高應力，引起內部高壓和介電擊穿，上述步驟可以在不到1 μs的時間內就完成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，所以生產效率較低，且從玻璃通孔的切片結果來看，通孔的形狀不是很垂直，可能會影響后續填充的效果。

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，因此生產效率相較聚焦放電法可以得到改善，且因為其側壁粗糙度小（<150nm）、側壁無損傷，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，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，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制作方法優勢在于采用高刻蝕速率的濕法腐蝕可以實現各向異性刻蝕，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下移動，造成結構偏移。

7） 激光誘導刻蝕法：目前最有大規模使用前景的工藝

加工步驟：通過脈沖激光誘導玻璃產生連續的變性區，相比未變性區域的玻璃，變性玻璃在氫氟酸中刻蝕速率較快，基于這一現象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。根據《玻璃通孔三維互連鍍銅填充技術發展現狀》（紀執敬等），德國LPKF公司率先用該技術實現了玻璃通孔制備，該公司將該方法分為兩步：1. 使用皮秒激光在玻璃上產生變性區域；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，某些特殊條件下根據玻璃類型可達到50:1。國內方面，廈門云天半導體科技有限公司成功開發了先進TGV激光刻蝕技術，實現了深寬比為10:1的玻璃通孔量產，研發結果顯示，該技術可以制備深寬比為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部出現變性區域，然后通過酸溶液濕法刻蝕完成，區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，由于刻蝕的各向異性，可以通過調節激光參數來控制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，激光誘導刻蝕法具有低成本優勢，有大規模應用前景。

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）工藝技術上。首先，制作玻璃通孔（TGV）工藝技術盲孔；其次，通過物理氣相沉積（PVD）的方法在玻璃通孔（TGV）工藝技術盲孔內部沉積種子層；再次，自底向上電鍍，實現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）工藝技術金屬填實轉接板。

另外一個將玻璃通孔（TGV）工藝技術填實的方案是將金屬導電膠進行玻璃通孔（TGV）工藝技術填實。利用金屬導電膠的優點是固化后導電通孔的熱膨脹系數可以調節，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）工藝技術電鍍填實外，玻璃通孔（TGV）工藝技術也可以采用通孔內電鍍薄層方案實現電學連接。

三、玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工藝技術的對比

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

1、優良的高頻電學特性

玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個數量級，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（如5G、6G）中，信號頻率達到數十GHz甚至更高，襯底損耗和寄生效應對信號質量的影響變得更加明顯。使用玻璃通孔（TGV）技術，可以有效降低這些不利因素，確保系統的高性能和可靠性。

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；且薄硅片容易產生翹曲，影響后續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，玻璃轉接板的制作成本大約只有硅基轉接板的1/8；

4、工藝流程簡單

不需要在襯底表面及玻璃通孔(TGV)內壁沉積絕緣層，且超薄轉接板中不需要減薄；

5、機械穩定性強

即便當轉接板厚度小于100µm時，翹曲依然較小；

6、應用領域廣泛

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