基于TGV工藝的三維集成封裝技術(shù)研究

謝 迪，李 浩，王從香，崔 凱，胡永芳

（南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

1 引言

三維集成封裝以其優(yōu)異的綜合性能滿足了先進封裝市場對電子封裝產(chǎn)品微型化、高度集成化、多功能化的迫切發(fā)展需求，三維集成封裝近年來成為先進封裝的主要發(fā)展方向。大多數(shù)三維集成采用硅作為襯底，近年來美國佐治亞理工大學(xué)等研究機構(gòu)采用玻璃作為襯底實現(xiàn)三維集成，基于玻璃通孔制造的三維互連（Through Glass Via，TGV）技術(shù)[1]由于其高密度互連和低損耗傳輸特性的優(yōu)勢使三維集成和系統(tǒng)級封裝技術(shù)得到了迅速發(fā)展，通過采用TGV技術(shù)，利用新設(shè)計、新器件以及新工藝可以構(gòu)建小型化、一體化的三維射頻微系統(tǒng)，在I/O密度更高、節(jié)距更小的芯片與基板之間形成高可靠的互連，實現(xiàn)片上無源器件、高密度銅互連及芯片的異構(gòu)集成。

玻璃基板材料中沒有自由移動的電荷，介電性能優(yōu)良，高頻損耗低、傳輸特性好，適用于高頻應(yīng)用，TGV技術(shù)無需制作絕緣層，降低了工藝復(fù)雜度和加工成本，玻璃基板及TGV相關(guān)技術(shù)在光通信、射頻、微波、微機電系統(tǒng)、微流體器件和三維集成領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。然而，TGV工藝中的玻璃基板高精度打孔技術(shù)、減薄拋光工藝、RDL金屬層/介質(zhì)層多層布線等關(guān)鍵技術(shù)是TGV技術(shù)工程化的基礎(chǔ)?；诖?，本文針對高純石英玻璃基板，設(shè)計合理工藝流程，制備了不同孔徑的通孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍30～190μm，深寬比范圍1.6∶1～10∶1，在深寬比不超過6∶1的情況下，TGV孔金屬化良好，通過三維封裝基板電性能測試，對TGV基板垂直互連進行了驗證。

2 試驗

2.1 試驗材料

文中采用的玻璃基板為康寧公司的石英玻璃基板（型號為HPFS 7980），尺寸為50.8 mm×50.8 mm×0.33 mm，總厚度變化（Total Thickniss Variation，TTV）不大于10μm，輪廓算術(shù)平均偏差Ra≤5 nm，厚度一致性良好、表面光潔度高。這種基板為熔融石英基板，SiO2含量在99.999%以上，僅含有微量的金屬離子，屬于良好的絕緣體，其介電常數(shù)低，損耗因子在各頻段都很小，其電氣和機械性能優(yōu)異，是理想的微波介質(zhì)基板材料。表1給出了石英基板具體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能。

表1 石英基板性能

2.2 工藝過程

本文所需制備的TGV特征尺寸為孔徑50μm、深寬比6∶1，深寬比大、精度要求高，為實現(xiàn)石英玻璃基板的精密打孔、RDL金屬/介質(zhì)多層布線，結(jié)合激光加工、薄膜工藝在微細加工技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，合理設(shè)計了工藝流程圖，如圖1所示。

圖1 基于石英基板的TGV工藝路線

2.2.1 TGV通孔加工

本文采用通過激光加工與刻蝕相結(jié)合的方法，快速在玻璃基片上進行通孔加工，成孔精度高、加工效率高[3]，首先在需要制造TGV通孔的位置進行激光誘導(dǎo)改性，然后通過濕法刻蝕將改性處的玻璃材料刻蝕掉，形成TGV通孔陣列。

2.2.2減薄拋光

由于濕法刻蝕除了會腐蝕孔內(nèi)玻璃材料外還會對玻璃表面造成一定損傷，需要對玻璃基板表面進行減薄、拋光處理，為后續(xù)玻璃基板RDL工藝奠定基礎(chǔ)。

2.2.3多層布線

通過濕法清洗、磁控濺射、光刻、圖形電鍍等工藝在帶有TGV通孔的玻璃基板上實現(xiàn)表面、孔壁金屬化，通過BCB光刻工藝在玻璃基板對應(yīng)位置形成介質(zhì)層，實現(xiàn)具有金屬/介質(zhì)的多層電路互連功能的RDL結(jié)構(gòu)。

2.2.4劃片

完成電路制備后，需要通過切割劃片的方式將TGV基板分割為具有特定尺寸的結(jié)構(gòu)單元。

2.3 測試分析方法

利用日立3400N掃描電鏡分析材料的表面形貌，采用SENSOFAR Sneox光學(xué)共聚焦顯微鏡測試基板表面形貌和粗糙度，采用Dage4000拉力測試儀測試表面金屬層的鍵合拉力，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試玻璃基封裝基板的傳輸性能。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 TGV通孔加工與通孔率優(yōu)化

玻璃基板制造TGV在成本、工藝流程上與硅基TSV技術(shù)相比有一定競爭力，但玻璃基板刻蝕深孔工藝難度較大，常用玻璃基板打孔加工方法包括機械加工、刻蝕加工、激光加工3類。根據(jù)加工方法的不同，玻璃基板打孔的特征尺寸（深寬比、孔徑、節(jié)距）差異很大，三維集成領(lǐng)域中的TGV陣列較密集，孔徑節(jié)距小、深寬比大，機械加工領(lǐng)域中的超聲鉆孔、噴丸鉆孔等方式難以實現(xiàn)高精度、高效加工的需求。濕法刻蝕成本低廉，但加工精度和加工深度受限；干法刻蝕雖然可以得到表面平整的高深寬比結(jié)構(gòu)，但其加工成本高、速度慢，且石英的深刻蝕設(shè)備還不夠成熟。激光刻蝕是目前業(yè)內(nèi)制造TGV深孔最常用的工藝方法[4]，但激光加工會在孔邊緣帶來飛濺和一定的熱影響（玻璃一般熱導(dǎo)率低于2 W/（m·K）），破壞了玻璃基板的機械強度。綜上，單一加工方法難以實現(xiàn)玻璃基片高深寬比、高精度、快速加工的需求，需依據(jù)玻璃基板特點制定相應(yīng)的工藝方案。近年來，玻璃回流、光敏玻璃曝光顯影、激光與刻蝕相結(jié)合的新型加工技術(shù)成為TGV加工的研究方向。

本文采用激光誘導(dǎo)刻蝕技術(shù)（Laser Induced Deep Etching）加工TGV通孔，通過將激光加工與刻蝕結(jié)合起來，能快速在玻璃基片上進行通孔加工，成孔精度高、加工效率高。激光誘導(dǎo)改性首先通過激光對石英玻璃進行改性處理，利用多焦點式激光、短脈寬激光，激光波長1064 nm，對需要打孔的部位進行掃描，形成改性區(qū)域，如圖2所示，然后采用濕法刻蝕方式將激光改性區(qū)域刻蝕為具有一定深寬比的TGV通孔。利用氫氟酸（HF）作為石英濕法刻蝕的腐蝕液，石英濕法刻蝕的化學(xué)方程式如下：

圖2 激光改性、濕法刻蝕示意圖

在實際加工過程中，濕法刻蝕的精度較差，石英基板上TGV陣列通孔存在一定數(shù)量孔不通的問題，如圖3（a）所示。為提高濕法刻蝕的速率、均勻性，需要調(diào)整氫氟酸溶液濃度和使用條件。

經(jīng)優(yōu)化試驗，在原20%氫氟酸溶液中加入5%NH4F添加劑并采用水浴加熱40℃的方式能有效提高濕法刻蝕的刻蝕速率和均勻性，能實現(xiàn)TGV通孔批量加工，通孔率由此前的30%以下提高到99%以上，如圖3（b）所示。通過對激光加工后的石英基片進行濕法刻蝕，刻蝕后用去離子水進行超聲清洗，清洗掉殘余在孔壁上的氫氟酸。

圖3 濕法刻蝕后的TGV通孔樣件

3.2 石英基板表面處理

由于濕法刻蝕存在一定的不均勻性，石英基板局部區(qū)域TGV孔邊緣存在一定損傷、基板表面存在一定“過刻蝕”現(xiàn)象，如圖4（a）所示，對“過刻蝕”現(xiàn)象進行進一步觀察，可以發(fā)現(xiàn)，基板表面局部區(qū)域存在深度10μm左右的腐蝕，如圖4（b）所示，局部孔徑處有5～10μm的破損，如圖4（c）所示。出現(xiàn)這種微觀缺陷的原因一方面可能是材料純度、組織局部不均一，另一方面是濕法刻蝕溶液在與基板反應(yīng)過程中局部濃度變化導(dǎo)致刻蝕速度較大，對基板造成了一定損傷。以上微觀缺陷會影響后道TGV金屬化的互連通斷及可靠性，因此，需要通過減薄、拋光等表面處理工藝提高基板表面質(zhì)量，恢復(fù)石英基板均一、無微觀缺陷的表面狀態(tài)。

圖4 濕法刻蝕后TGV通孔樣件局部缺陷

基于以上分析，本文采用減薄、拋光工藝對石英基板表面進行處理。減薄砂輪采用金剛石/立方氮化硼材料，硬度高、尺寸穩(wěn)定性好，在設(shè)備進給精度保證的前提下，能實現(xiàn)±1μm的加工，減薄工藝方面能去除前道濕法刻蝕的微觀缺陷，還能降低石英基板厚度到需要的設(shè)計厚度，減薄后的石英基板厚度為0.305 mm，粗糙度Ra范圍為150～200 nm，基板減薄形貌如圖5（a）所示，呈現(xiàn)典型的磨削“犁溝”痕跡，微觀起伏大，存在明顯劃痕，基板表面需進一步處理。

圖5 減薄、拋光后石英基板微觀形貌

拋光采用化學(xué)機械拋光（CMP）方式進行，拋光墊為多孔聚氨酯拋光墊，拋光液為SiO2拋光液，磨料粒徑較細（納米量級），利用堿性SiO2膠體拋光具有典型的CMP特點對基板表面進行微量拋光，SiO2磨料的Zeta電位為-56.4 mV，固體磨料粒子懸浮液的分散性和流動性較好，能有效去除石英玻璃表面形成的鈍化膜，同時通過機械作用切斷石英玻璃表面的Si-O-Si鍵[5]，石英基板拋光的材料去除率不超過50 nm/min，主要是由于SiO2硬度低、粒徑小，而且硅溶膠易發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，在整個拋光過程中，化學(xué)反應(yīng)和機械摩擦兩種作用交替、循環(huán)進行，對石英基板進行微量、精密表面加工，拋光后的石英基板厚度范圍在0.295～0.300 mm，粗糙度Ra范圍在5～10 nm，已接近石英基板TGV工藝前的來料狀態(tài)，如圖5所示呈現(xiàn)典型的光學(xué)干涉條紋，具有良好的表面質(zhì)量。

3.3 孔金屬化及RDL附著力優(yōu)化

在完成高深寬比TGV通孔加工后，為了具備良好的垂直互連性能，本文采用薄膜工藝對TGV通孔進行孔金屬化及RDL布線，薄膜工藝（Ti-Cu-Au膜層體系）涉及種子層濺射、光刻、圖形電鍍、濕法腐蝕等工序，對TGV結(jié)構(gòu)有一定要求?；搴穸纫欢ǖ臈l件下，TGV孔徑越小，深寬比越大，孔金屬化難度越大。如圖6所示為不同孔徑金屬化的效果，可以看出當(dāng)孔徑減小至40μm時，孔金屬化出現(xiàn)明顯斷路，此時深寬比為7.5∶1，孔徑進一步縮小，當(dāng)孔徑為30μm時，深寬比為10∶1，孔內(nèi)金屬斷路面積進一步擴大，僅孔口部分實現(xiàn)了金屬鍍覆；而孔徑大于等于50μm時，深寬比不超過6∶1時，孔內(nèi)金屬鍍覆完整，孔金屬化良好，實現(xiàn)TGV垂直互連，分析其原因是深寬比過大，受磁控濺射設(shè)備填孔能力限制，孔內(nèi)側(cè)壁無法形成連續(xù)致密的種子層，孔內(nèi)TiW、Cu金屬膜層覆蓋率低，后續(xù)電鍍無法在孔內(nèi)形成連續(xù)Au層，該問題尤其表現(xiàn)在孔中間部位，在濕法腐蝕去除種子層的過程中，TiW、Cu腐蝕液會從Au層不連續(xù)區(qū)域形成“側(cè)蝕”效應(yīng)，進一步破壞孔內(nèi)金屬膜層，產(chǎn)生斷路。

圖6 不同深寬比孔金屬化剖面圖

進一步對孔內(nèi)形貌進行表征與分析，如圖7所示，經(jīng)激光誘導(dǎo)刻蝕制備的TGV通孔內(nèi)壁表面粗糙度為0.1μm，孔內(nèi)微觀起伏在0.25μm范圍，微觀形貌無裂紋、碎屑、毛刺等缺陷；經(jīng)薄膜工藝孔金屬化后，受沉積金屬層晶粒影響，孔內(nèi)金屬層表面粗糙度為0.3μm，微觀起伏在0.8μm，金屬層連續(xù)、致密，無針孔、裂紋等微觀缺陷，綜上所述，合理的TGV深寬比、通孔內(nèi)壁粗糙度較低是TGV孔金屬化完整的前提。

圖7 孔內(nèi)形貌及微觀起伏

為提高金屬層與石英基板間膜層的附著力，在進行金屬化工藝前需要對石英基板進行前處理。需要注意的是，石英基板表面是很“光滑”的，而且石英材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不容易與常規(guī)清洗溶液發(fā)生活化反應(yīng)，因此石英基板的表面能很低，相對于硅基、陶瓷基板而言石英基板表面可認為是“惰性”的。經(jīng)堿性除油、鹽酸和雙氧水溶液的前處理后，制備的金屬RDL導(dǎo)體層存在附著力不牢靠的現(xiàn)象，如圖8（a）所示，膜層剝落。

本文結(jié)合石英玻璃材料特性及TGV前后道工藝的特點[6-7]，制定除油、微蝕的前處理方案，具體采用丙酮除油去除有機沾污、利用鉻酸氧化效應(yīng)去除基板表面微觀顆粒、10%氫氟酸浸泡微蝕基板的前處理工藝，再經(jīng)薄膜工藝制備的導(dǎo)體層如圖8（b）所示，膜層附著良好。為定量考核膜層鍵合性能，采用Φ25μm、EL1-2.5%金絲在金屬層表面進行鍵合，然后利用Dage4000拉力測試議，依據(jù)GJB 548B-2005規(guī)定進行破壞性拉力測試，測試結(jié)果如表2所示。

圖8 金屬層布線樣件

表2 RDL金屬層鍵合拉力測試

玻璃基片制備的薄膜電路樣品均滿足金絲鍵合要求（最小值＞5.0 gf、平均值＞7.5 gf），斷裂失效模式為線弧中間、第一焊點頸部，未出現(xiàn)膜層剝落現(xiàn)象，說明優(yōu)化后的前處理方式提高了石英基板表面金屬層的附著力，滿足金絲鍵合的使用要求。

4 TGV封裝基板制備與測試

采用上述TGV工藝制備TGV三維封裝基板，TGV孔徑50μm、孔深300μm，RDL含有2層BCB介質(zhì)層、3層金屬布線層（背面接地層），最小線寬/線距為20μm/20μm，此外制作了石英基微波傳輸線，如圖9所示。

圖9 TGV封裝基板與傳輸線樣件

如圖10所示，通過測試結(jié)果可以看出S11的仿真與測試結(jié)果趨勢一致，S12在1～1.2 GHz的地方出現(xiàn)-2 dB的損耗，原因可能是金絲鍵合之后接負載端口阻抗不匹配，但是仿真與測試總體仍在誤差區(qū)間內(nèi)。因此，通過TGV工藝在石英玻璃基板上制備三維封裝基板，驗證在2～18 GHz電性能與仿真結(jié)果總體一致，實現(xiàn)了信號垂直互連與傳輸。此外在石英基板上制作微波傳輸線，通過矢量網(wǎng)絡(luò)測試儀測試傳輸線的插入損耗，結(jié)果表明，掃頻范圍在10 MHz～40 GHz范圍內(nèi)，微波傳輸線1mm單位長度插入損耗小于-0.05dB，在24 GHz頻率、1 mm單位長度插入損耗為-0.02 dB，說明基于石英基板的TGV封裝技術(shù)更適合高頻高速場合的應(yīng)用。

圖10 互連測試結(jié)果

5 結(jié)論

石英基板作為重要的封裝基板材料，在高頻高密度集成領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過研究基于石英基板的TGV加工制備工藝方法，結(jié)合激光加工與濕法刻蝕的特點，實現(xiàn)了深寬比10∶1的通孔加工，避免了單一激光加工帶來的孔邊緣飛濺與熱影響問題，同時克服了單一濕法刻蝕加工精度與深度不足的問題，在石英封裝基板上制備了不同深寬比的TGV互連結(jié)構(gòu)；深寬比不超過6∶1時，孔內(nèi)金屬層連續(xù)、致密，為不同孔徑、不同深寬比TGV的可靠互連提供了參考，RDL金屬層拉力測試均值達到18.24 gf，滿足鍵合微組裝使用要求。通過制備基于TGV的三維封裝基板測試了TGV結(jié)構(gòu)的可靠互連，微波傳輸線在40 GHz頻率范圍內(nèi)的單位長度插入損耗不超過-0.05 dB，信號傳輸損耗小，證明基于石英基板的TGV技術(shù)在高頻高速應(yīng)用領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢。