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【导语】后摩尔时代，先进封装成芯片算力提升关键，其中玻璃基板封装因诸多优势被视为提升芯片性能的关键技术，但目前仍处于技术验证、预生产阶段。其成功与否取决于TGV（玻璃通孔）工艺的成熟度，而玻璃材料本身的物理特征，又成为制约该技术普及的难题，国内虽有企业实现技术(shù)突(tū)破，但玻璃力学性能带来的诸多问题仍待解决。

图为玻璃面板幅面（图源: RENA）

先进封装已成为后摩尔时代芯片算力提升的核心手段。随着晶体管不断缩小，芯片尺寸达到光罩极限，将大芯片分割成更小的Chiplet，通过2.5D、3D堆叠打破限制便成为破局关键。

2.5D、3D集成需要硅中介层、RDL技术、凸点、玻璃基板、TSV、TGV、混合键合技术等多项技术的配合。其中，玻璃基板封装由于其物理特性更优、封装尺寸比硅更大，电气性能更好、能够减少传输损耗，能够有效对抗翘曲问题、更适合大尺寸封装等优点，被认为是提升芯片性能的关键材料技术。

然而，这项受到业界颇(pō)多(duō)关注(zhù)的技术，仍处于技术验证、预生产阶段，仍未实现批量生产。玻璃基板封装所需采用的钻孔工艺TGV（玻璃通孔）的技术成熟度则是玻璃基板技术成功与否的破局关键。

何为TGV？

为提升晶体管排布密度，优化芯片(piàn)性(xìng)能(néng)，垂(chuí)直(zhí)堆(duī)叠(dié)，3D封(fēng)装(zhuāng)需(xū)要(yào)在(zài)芯(xīn)片(piàn)与(yǔ)芯(xīn)片(piàn)间(jiān)、晶(jīng)圆(yuán)与(yǔ)晶(jīng)圆(yuán)间(jiān)制(zhì)作(zuò)垂(chuí)直(zhí)通(tōng)孔(kǒng)，从(cóng)而(ér)实(shí)现(xiàn)芯(xīn)片(piàn)之(zhī)间(jiān)的(de)直(zhí)接(jiē)互(hù)连(lián)。由(yóu)于(yú)芯(xīn)片(piàn)多(duō)是(shì)在(zài)硅(guī)基(jī)上(shàng)制(zhì)造(zào)，于(yú)是(shì)需(xū)要(yào)TSV（硅(guī)通(tōng)孔(kǒng)）工(gōng)艺(yì)的(de)加(jiā)持(chí)。

当(dāng)前(qián)TSV工(gōng)艺(yì)依(yī)据工艺顺序主要(yào)分(fēn)为(wèi)三(sān)种(zhǒng)方(fāng)案(àn)：

其(qí)一(yī)，先(xiān)通(tōng)孔(kǒng)，在(zài)CMOS工(gōng)艺(yì)开(kāi)始(shǐ)前(qián)制(zhì)作(zuò)通(tōng)孔(kǒng)，填(tián)充(chōng)材(cái)料(liào)（常(cháng)用(yòng)多(duō)晶(jīng)硅(guī)）须(xū)耐(nài)受(shòu)后(hòu)续(xù)高(gāo)温(wēn)工(gōng)艺(yì)。其(qí)二(èr)，中(zhōng)通(tōng)孔(kǒng)，在(zài)CMOS器(qì)件(jiàn)钝(dùn)化(huà)后(hòu)、全局互连开始前、晶圆减薄前进行，可用铜作为填充材料。其三，后通孔，在晶圆减薄至最终厚度后进行，需将晶圆固定在载片或底部晶圆上再进行。

现阶段能够看到，不同的企业在自己的封装工艺中不同程度地采用了TSV技术。例如，台积电的CoWoS技术，通过硅中介层高密度互连芯片，采用TSV技术垂直导通转接板；英特尔的Foveros技术，水平面对面集成芯片，以TSV垂直互连实现高密度、低功耗；台积电的SoIC技术，以TSV贯穿芯片实现了无凸点键合，从而实现超高密度集成10nm以下的先进制程工艺芯片；三星的I-cube技术，基于TSV/BEOL技术，将硅中介层整合逻辑芯片与HBM，实现并行散热扩展性能。

图为TSV技术与TGV技术区别（图源: 广发证券发展研究中心）

而如果采用玻璃基板，则当前2.5D、3D封装中采用的硅中介层、FC-BGA载板都可以由玻璃基板替代。相应地，原先工艺中所采用的钻孔工艺也要相应地由TSV工艺转化为TGV（玻璃通孔）工艺。

TGV工艺大致包括如下流程：首先，激光钻孔会在玻璃中产生局部热应力，从而产生表面粗糙度；其次，湿法刻蚀会会扩大孔并形成TGV沟槽；随后，金属籽晶层沉积并电镀。

玻璃材料物理难题待解

在TGV领域，国内已有企业实现了技术突破。例如，沃格光电在高密度互连方面实现技术突破，通过材料改性及工艺优化，攻克了铜附着力不足、微裂纹控制及孔内填充空洞等难题，实现了3um孔径、150:1深径比、10 mm铜厚的行业领先水平，支持(chí)4层(céng)以(yǐ)上(shàng)玻(bō)璃(lí)基(jī)板(bǎn)堆(duī)叠(dié)，适(shì)配(pèi)AI芯(xīn)片(piàn)3D封(fēng)装(zhuāng)需(xū)求(qiú)。云(yún)天(tiān)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)在(zài)高(gāo)频(pín)集成(chéng)方(fāng)面(miàn)实(shí)现(xiàn)创(chuàng)新(xīn)，其(qí)诱(yòu)导(dǎo)刻(kè)蚀(shí)技(jì)术(shù)，在(zài)180wm玻(bō)璃(lí)基(jī)板(bǎn)空(kōng)腔(qiāng)嵌(qiàn))芯(xīn)片(piàn)通过铜RDL布线实现77 GHz汽车雷达天线集成(AiP)，2024年优化高频性能扩展至5G毫米波通信模块，提升了信号传输效率。

但玻璃材料本身的物理特征，仍然是制约玻璃基板、TGV技术在芯片封装领域普及的关键。

西北工业大学先进电子封装材料及结构研究中心教授龙旭表示，玻璃的力学性能决定了TGV封装的可靠性与应用前景。

围绕这一话题，龙旭从五个层面阐释了玻璃的力学性能。

其一，在玻璃本征特性引起的力学问题层面，由于玻璃本身属于脆性材料且抗拉强度较低在温度剧烈变化的场景(如回流焊或冷热冲击测试)中会引发较大的热机械应力，这可能导致玻璃-铜界面出玻璃和金属间的热膨胀差异(CTE mismatch现分层或微裂纹问题，并导致局部乃至整体失效。

其二，从电迁移引起的力学问题层面， TGV互连结构在高电流密度下易发生电迁移(EM)失效，由干电流集中效应，主要集中于RDL-TGV交界及异质界面处，受电-热-力耦合作用加速，成为系统可靠性的关键弱环节随着电迁移时间的增加，空洞等缺陷形式可演变成裂纹，并可能扩展。

其三，在热力荷载引起的力学问题层面，玻璃基体在热载荷下会出现裂纹。TGV直径较大，易产生界面应力集中，从而显著提高裂纹敏感性；升温速率越高，径向裂纹形成概率呈指数增加，相反，低速升温有助于应力松弛并降低裂纹风险。另外，在铜互连结构与玻璃分层，材料差异导致应力失配，玻璃与铜在弹性模量和热膨胀系数上差异显著，热载荷下产生不同变形，引发界面应力集中。玻璃表面较平滑，与铜黏附性差，易在热循环中发生界面分层，严重时导致基板开裂和电路失效。

其四，在TGV-RDL（重布线层）的互连结构引起的力学和电学问题层面，TGV 在低电流密度下具有较高的电学可靠性，但在大电流密度和高频应用中，容易妥到工艺缺陷和热载荷影响表现出传输性能下降。侧壁粗糙度和通孔锥度对信号完整性影响显著，粗糙度增大和锥度过大均会导致损耗、延迟及功耗增加，尤其在高频段表现突出。虽然热(rè)循(xún)环(huán)作(zuò)用(yòng)下(xià)TGV电(diàn)阻(zǔ)基(jī)本(běn)保(bǎo)持(chí)稳(wěn)定(dìng)，但(dàn)界(jiè)面(miàn)裂(liè)纹(wén)和(hé)分(fēn)层(céng)会(huì)引(yǐn)入(rù)额(é)外(wài)的(de)电(diàn)阻(zǔ)与(yǔ)电(diàn)容(róng)效(xiào)应(yīng)，导(dǎo)致(zhì)信(xìn)号(hào)损(sǔn)耗(hào)加(jiā)剧(jù)及(jí)谐(xié)振(zhèn)频率漂移而影响整体器件的电学性能。

其五，在制造加工方法引起的力学问题层面，由于玻璃的脆性特性，在TGV制造过程中常见的加工工艺(如激光钻孔、腐蚀、砂喷和微加工等)容易引入缺陷，主要包括微裂纹、孔周应力集中和表面粗糙度。加工工艺可能会带来芯片互连失(shī)效、界面脱粘、导体填充层断裂等潜在后果。