晶圓級(jí)封裝中的垂直互連結(jié)構(gòu)

徐 罕，朱亞軍，戴飛虎，高娜燕，吉 勇，王成遷,2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072；2.廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建廈門(mén)361005）

1 引言

封裝技術(shù)誕生以來(lái)伴隨著科技的不斷創(chuàng)新，到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了4個(gè)階段：20世紀(jì)70年代，以插裝型的封裝技術(shù)形式為主；20世紀(jì)80年代，主要以微電子封裝技術(shù)表面貼裝技術(shù)為主流；20世紀(jì)90年代，隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，封裝技術(shù)主要是以面陣列的方式向小型化和低功率方向發(fā)展；進(jìn)入21世紀(jì)后，封裝技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，迎來(lái)了堆疊式封裝技術(shù)時(shí)代，封裝概念從原本的單一器件封裝演變成了系統(tǒng)級(jí)封裝。

21世紀(jì)初，晶圓級(jí)封裝技術(shù)實(shí)體問(wèn)世，起初晶圓級(jí)封裝依靠其封裝尺寸小型化、低成本和高性能的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)應(yīng)用中獲得認(rèn)可，但隨著用戶(hù)需求的不斷提升，移動(dòng)設(shè)備向高集成化、輕量化以及智能化的趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)先進(jìn)封裝提出了更高的要求。2010年之后，封裝技術(shù)有了質(zhì)的突破，在封裝體的縱向和橫向上取得顯著成效，出現(xiàn)了扇出型封裝、多芯片異構(gòu)集成封裝、三維異質(zhì)集成封裝以及將所有封裝形式和結(jié)構(gòu)融合于一體的系統(tǒng)級(jí)封裝。

作為上下互連的中介層結(jié)構(gòu)，垂直互連結(jié)構(gòu)對(duì)三維封裝集成能力以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合具有不可替代的作用，其中硅通孔（Through Silicon Via，TSV)、塑封通孔(Through Molding Via，TMV)和玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)互連結(jié)構(gòu)在近些年的先進(jìn)封裝領(lǐng)域中是最為普遍的結(jié)構(gòu)，通過(guò)垂直互連提高了封裝體的高密度互連能力，使得集成度更高、傳輸速率更快、寄生干擾更小、高頻特性更優(yōu)越。本文從3種垂直互連結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史、工藝方法和應(yīng)用領(lǐng)域等多個(gè)方面進(jìn)行闡述，系統(tǒng)總結(jié)3種垂直互連結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和發(fā)展。

2 TSV垂直互連結(jié)構(gòu)

2.1 TSV技術(shù)背景

TSV技術(shù)的起源可以追溯到1958年，當(dāng)時(shí)WILLIAM申請(qǐng)了專(zhuān)利，描述了將兩個(gè)芯片連接在一起的通道[1]。然而更多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為MERLIN和EMANUEL才是TSV結(jié)構(gòu)的發(fā)明者，并于1964年獲得了專(zhuān)利[2]。

TSV互連結(jié)構(gòu)在移動(dòng)應(yīng)用市場(chǎng)中具有廣泛的應(yīng)用，TSV結(jié)構(gòu)可以減少電信號(hào)延遲，實(shí)現(xiàn)低電容、低電感、高速度通信能力，普遍應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和生物醫(yī)學(xué)等方面，例如市場(chǎng)中早已熱推的High Bandwidth Memory（HBM）。HBM早期由超威、英偉達(dá)和海力士主推，HBM使用TSV技術(shù)把多塊內(nèi)存芯片堆疊在一起形成3D IC，并使用2.5D封裝技術(shù)把堆疊內(nèi)存芯片和中央處理器在硅轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

2.2 TSV結(jié)構(gòu)工藝

根據(jù)硅通孔在工藝制程中形成的順序，TSV結(jié)構(gòu)可以分為先通孔工藝（Via First）、中通孔工藝（Via Middle）和后通孔工藝（Via Last）。

先通孔工藝（見(jiàn)圖1）是指在器件（如MOSFET器件）結(jié)構(gòu)制造之前，先進(jìn)行通孔結(jié)構(gòu)制造的一種通孔工藝方法[3]。晶圓上先進(jìn)行TSV結(jié)構(gòu)的通孔刻蝕，孔內(nèi)沉積高溫電介質(zhì)（熱氧沉積或化學(xué)氣相沉積），然后填充摻雜的多晶硅。多余的多晶硅通過(guò)CMP去除。這種方法允許使用高溫工藝來(lái)制造絕緣化的通孔（即高溫SiO2鈍化層）并填充通孔（即摻雜的多晶硅）。由于多晶硅通孔的高電阻率，先通孔工藝并未廣泛用于有源器件晶圓。使用先通孔工藝的圖像傳感器產(chǎn)品和MEMS產(chǎn)品數(shù)量有限，對(duì)于這些應(yīng)用，通孔尺寸較大（大于100μm），因此摻雜多晶硅通孔的電阻是可以接受的。

圖1 先通孔工藝流程[3-5]

中通孔工藝（見(jiàn)圖2）是在工藝流程的制造過(guò)程中形成的TSV結(jié)構(gòu)，常常在形成器件之后但在制造疊層之前制造的通孔工藝[4]。在有源器件制程之后形成TSV結(jié)構(gòu)，然后內(nèi)部沉積電介質(zhì)。電介質(zhì)沉積對(duì)于中通孔工藝具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸仨毷褂孟鄬?duì)低溫的電介質(zhì)沉積方法（小于600℃），以避免損傷器件性能（但對(duì)于無(wú)源Si轉(zhuǎn)接板，可以使用高溫電介質(zhì)來(lái)做絕緣鈍化層，因?yàn)榫A上沒(méi)有有源器件)。淀積阻擋層鈦金屬和銅種子層，然后電鍍銅填充通孔，或者可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積鎢金屬填充通孔。通常，鎢用于填充高深寬比TSV（深寬比大于10∶1），而銅用于填充低深寬比TSV（深寬比小于10∶1）。中通孔工藝適用于100μm及以下的TSV間距。中通孔工藝的優(yōu)點(diǎn)是TSV結(jié)構(gòu)間距小，再布線(xiàn)層通道阻塞最小以及TSV結(jié)構(gòu)電阻較小。其主要缺點(diǎn)在于它必須適合產(chǎn)品器件性能要求，這樣才不會(huì)干擾器件（如低熱應(yīng)力影響），并且也不會(huì)干擾相鄰的布線(xiàn)層（即將TSV結(jié)構(gòu)的凹陷減小到最小，使應(yīng)力影響最小化）。此外，TSV結(jié)構(gòu)中通孔工藝成本相對(duì)較高，尤其是TSV結(jié)構(gòu)的刻蝕工序、銅電鍍工序以及面銅的化學(xué)機(jī)械拋光工序。

圖2 中通孔工藝流程[3-5]

正面后通孔工藝（見(jiàn)圖3）是在Back End of Line（BEOL）工藝處理結(jié)束后，從晶圓正面形成通孔的一種制造工藝[5]。從概念上講，在晶圓上制造的后通孔工藝與中通孔工藝相似，但是對(duì)工藝溫度有進(jìn)一步的限制（必須小于400℃）。正面后通孔工藝的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是TSV結(jié)構(gòu)的粗略特征尺寸可與全局布線(xiàn)層的特征尺寸相媲美，因此簡(jiǎn)化了工藝集成的某些制造流程。對(duì)于通過(guò)晶圓與晶圓間鍵合形成的3D堆疊，正面后通孔工藝也具有一些優(yōu)勢(shì)。TSV結(jié)構(gòu)可以在工藝結(jié)束時(shí)形成，連接堆疊中的多層封裝。正面后通孔工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是TSV結(jié)構(gòu)的刻蝕更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槌薙i刻蝕之外，還必須刻蝕整個(gè)電介質(zhì)疊層。該工藝的另一個(gè)問(wèn)題是它會(huì)阻塞布線(xiàn)通道，從而導(dǎo)致更大的芯片尺寸。由于這些限制，正面后通孔工藝的應(yīng)用受到了限制。

圖3 正面后通孔工藝流程[3-5]

背面后通孔工藝是在BEOL工藝處理結(jié)束后，從晶圓背面進(jìn)行通孔結(jié)構(gòu)的一種制造工藝[6]。對(duì)于晶圓到晶圓間的堆疊，可以簡(jiǎn)化工藝流程，因?yàn)槭∪チ嗽S多背面工藝步驟，例如背面焊料凸點(diǎn)和金屬化?？梢允褂醚趸锘蚓酆衔镎澈蟿恼娴奖趁婊驈谋趁娴奖趁骀I合晶圓。圖4顯示了背面后通孔工藝的示例。首先使用粘合劑將兩個(gè)器件晶圓以面對(duì)面方式粘合，接下來(lái)，將頂部晶圓減薄，將TSV結(jié)構(gòu)刻蝕至頂部晶圓和底部晶圓上的焊盤(pán)，孔內(nèi)沉積電介質(zhì)，最后，將金屬沉積到TSV結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行表面金屬層再布線(xiàn)。背面后通孔工藝被廣泛用于圖像傳感器和MEMS器件。對(duì)于這些應(yīng)用，TSV結(jié)構(gòu)尺寸較大，因此通孔可以逐漸變細(xì)，從而簡(jiǎn)化了電介質(zhì)和金屬的后續(xù)沉積。由于通孔直徑大（大于100μm），因此可以實(shí)現(xiàn)足夠的電介質(zhì)保形性。通過(guò)掩模步驟或使用間隔物刻蝕形成TSV結(jié)構(gòu)的底部介電層，TSV結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉積金屬，通過(guò)電鍍?cè)俜植紝舆M(jìn)行表面圖案化。一般不需要完全填充TSV結(jié)構(gòu)的金屬，因此可以縮短處理時(shí)間或簡(jiǎn)化處理步驟。

圖4 背面后通孔工藝流程[3-5]

2.3 TSV技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 影像感應(yīng)器

CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor,CIS）是最早在批量生產(chǎn)中采用TSV結(jié)構(gòu)的應(yīng)用之一。在最初的CIS應(yīng)用中，TSV結(jié)構(gòu)的形成在圖像傳感器晶圓的背面，以形成互連、消除引線(xiàn)鍵合，并減小封裝尺寸和增加密度。芯片堆疊僅在CIS出現(xiàn)時(shí)才出現(xiàn)，透鏡、電路和光電二極管的順序與傳統(tǒng)的相反，從而使穿過(guò)透鏡的光先入射到光電二極管，然后再入射到電路。這是通過(guò)翻轉(zhuǎn)光電二極管晶圓，減薄背面，然后使用直接氧化物鍵合將其粘合在讀出層的頂部來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中TSV的作用是作為垂直互連的中間層。

2.3.2 3D封裝

3D封裝包含兩個(gè)或兩個(gè)以上垂直堆疊的芯片（集成電路），因此它們占用的空間較小且具有更高的連通性。在IBM的硅載體封裝技術(shù)中有另一種3D封裝類(lèi)型，其中沒(méi)有堆疊IC，而是使用包含TSV的載體基板將多個(gè)IC三維堆疊在一起[7]。在大多數(shù)3D封裝中，堆疊的芯片沿其邊緣布線(xiàn)在一起。這種邊緣布線(xiàn)會(huì)稍微增加封裝的長(zhǎng)度和寬度，并且通常在芯片之間需要一個(gè)額外的“插入層”。在某些新的3D封裝中，TSV通過(guò)在芯片主體之間建立垂直連接來(lái)代替邊緣布線(xiàn)，所得封裝沒(méi)有增加長(zhǎng)度或?qū)挾?。由于不需要插入器，因此TSV 3D封裝也可以比邊緣布線(xiàn)3D封裝更扁平。這種TSV技術(shù)有時(shí)也稱(chēng)為直通硅堆疊（Through Silicon Stacking,TSS）。

2.3.3 3D集成電路

3D集成電路是通過(guò)堆疊硅芯片和管芯并將它們垂直互連以使它們表現(xiàn)為單個(gè)設(shè)備而構(gòu)建的單個(gè)集成電路[8]。通過(guò)使用TSV技術(shù)，3D IC可以將大量功能整合到一起。堆疊中的不同芯片可以是異類(lèi)的，例如，將CMOS邏輯器件、DRAM和III-V材料結(jié)合到一個(gè)IC中。這種形式可以大大縮短通過(guò)芯片的關(guān)鍵電氣路徑，從而加快操作速度。另外，在HBM存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中也包括了TSV。

2.4 TSV技術(shù)優(yōu)劣性及挑戰(zhàn)

TSV技術(shù)被看做是一個(gè)必然的互連解決方案，也是目前倒裝芯片和引線(xiàn)鍵合型疊層芯片解決方案的很好補(bǔ)充。TSV結(jié)構(gòu)能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大提升芯片傳輸速度并降低功耗。因此，業(yè)內(nèi)人士將TSV技術(shù)稱(chēng)為繼引線(xiàn)鍵合(Wire Bonding)、載帶自動(dòng)焊（TAB）和倒裝芯片（FC）之后的第四代封裝技術(shù)。但是TSV技術(shù)的發(fā)展也不可避免地存在一些問(wèn)題亟待解決，首先是超薄硅圓片技術(shù)，其次是高密度互連的散熱問(wèn)題，再者是3D封裝與目前封裝工藝的兼容性問(wèn)題，包括兼容的工藝設(shè)備和工具，這涉及到成本問(wèn)題，且未形成一套統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及系統(tǒng)的評(píng)價(jià)檢測(cè)體系。

3 TMV垂直互連結(jié)構(gòu)

3.1 TMV技術(shù)背景介紹

由于PSvf BGA（Package Stackable very Thin Fine Pitch BGA)和PSfc CSP（Package Stackable Flip Chip Chip Scale Package）技術(shù)結(jié)構(gòu)限制了存儲(chǔ)器接口的密度和間距，市場(chǎng)迫切需要新的疊層封裝技術(shù)來(lái)突破這一瓶頸，封裝技術(shù)因此進(jìn)入了第二代層疊封裝（Package on Package，PoP）技術(shù)的開(kāi)發(fā)時(shí)期。2008年，安靠公司首次在ECTC會(huì)議上提出將塑封通孔技術(shù)應(yīng)用至PoP中，該技術(shù)提供穩(wěn)定的底部封裝，讓使用更大芯片/封裝比的更輕薄基板成為可能[9]。自此，PoP因具有更高的輸入輸出端口密度、更小的間距、更薄的封裝尺寸和更低的翹曲而成為移動(dòng)產(chǎn)品中邏輯和內(nèi)存組件三維集成的首選封裝形式[11]?？梢哉f(shuō)，TMV技術(shù)是推動(dòng)3D疊層封裝技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力與核心。

3.2 TMV結(jié)構(gòu)工藝

TMV結(jié)構(gòu)的制備原理較為簡(jiǎn)單，如圖5所示，即經(jīng)過(guò)塑封工藝后，利用激光鉆孔的方式在塑封體中制備垂直通孔，通孔的底部連接金屬。隨后，通過(guò)濺射和電鍍工藝在通孔中填入導(dǎo)電材料，輔助以打線(xiàn)鍵合及回流焊工藝實(shí)現(xiàn)邏輯與內(nèi)存組件的三維互聯(lián)[10]。

圖5 TMV制備原理[10]

然而，基于激光蝕刻技術(shù)，要制備出合格的TMV結(jié)構(gòu)需要考慮多方面的因素。

（1）塑封料的選擇：塑封材料為有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物，由多種原料構(gòu)成，如環(huán)氧樹(shù)脂、無(wú)機(jī)填料（SiO2）、催化劑、脫模材料、顏料、阻燃劑、應(yīng)力釋放劑等。其中，無(wú)機(jī)填料為主要組成部分，體積占比通?？蛇_(dá)70%~90%。因此，填料的形狀、尺寸以及空間分布直接影響TMV通孔的成形質(zhì)量。HSU等人[12]稱(chēng)，TMV結(jié)構(gòu)的底部開(kāi)口最小尺寸應(yīng)大于3倍填料尺寸，如35μm填料對(duì)應(yīng)TMV結(jié)構(gòu)的底部最小開(kāi)口直徑為105μm。此外，高密度填料區(qū)域和低密度填料區(qū)域在通孔切割后所形成的切割角存在差異，TMV結(jié)構(gòu)的切割角如圖6所示，θ為切割角，高密度區(qū)域和低密度區(qū)域的切割角分別約為1°~2°和7°~9°。若填料分布不均或密度不同導(dǎo)致TMV結(jié)構(gòu)的通孔切割角差異，最終會(huì)影響后續(xù)的濺射和電鍍填孔工藝。

圖6 TMV結(jié)構(gòu)的切割角[11]

（2）激光工藝：激光鉆孔的成型原理是熱蝕刻，熱效應(yīng)是其基本的物理現(xiàn)象。但是，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致TMV通孔邊緣材料強(qiáng)度惡化和填料脫落。不僅如此，通孔不規(guī)則側(cè)壁上松動(dòng)的填料會(huì)擋住激光的外沿，減少光束到達(dá)底部，影響通孔蝕刻深度并形成上寬下窄的梯形結(jié)構(gòu)。同時(shí)，PARK和KANG等人[13-14]曾經(jīng)做過(guò)相關(guān)研究，通孔側(cè)壁的質(zhì)量決定互聯(lián)性能的好壞。而合適的激光類(lèi)型、脈沖能量、循環(huán)次數(shù)以及氣氛是形成高質(zhì)量TMV通孔的充分條件。研究表明，對(duì)于100μm的塑封體，制備TMV結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的條件為：功率2.14 W，頻率55 kHz，速度200μm/s，循環(huán)次數(shù)2次，焦長(zhǎng)255μm。對(duì)于200μm的塑封體，制備TMV最優(yōu)化的條件為：電流26 A，頻率55 kHz，速度200μm/s，循環(huán)次數(shù)5次，焦長(zhǎng)255μm。另外，通過(guò)加入輔助氣氛如Ar和N2減緩激光蝕刻造成的氧化并改善TMV通孔的側(cè)壁質(zhì)量[15]。

總的來(lái)講，已知的TMV結(jié)構(gòu)的通孔深度可以達(dá)到1000μm，通孔直徑主要取決于塑封料填料的大小，一般為大于等于填料直徑的3倍。

3.3 TMV技術(shù)優(yōu)劣性及挑戰(zhàn)

TMV技術(shù)作為眾多3D垂直互聯(lián)方案的一種，填補(bǔ)了倒裝以及TSV封裝技術(shù)等高端市場(chǎng)以外的空白。TMV技術(shù)發(fā)展至今，仍然屹立不倒并被廣泛應(yīng)用是有其原因的。首先，TMV結(jié)構(gòu)的PoP可以支持單芯片、堆疊芯片或FC設(shè)計(jì)。TMV結(jié)構(gòu)是適用于新興0.4 mm節(jié)距低功耗DDR2的理想解決方案，能夠滿(mǎn)足儲(chǔ)存器的接口要求，使堆疊接口兼容密度為0.3 mm及更小的焊球節(jié)距。其次，TMV結(jié)構(gòu)的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)施性較強(qiáng)。另外，TMV結(jié)構(gòu)制備成本低，與TSV結(jié)構(gòu)增加整體15%的成本相比，TMV結(jié)構(gòu)被市場(chǎng)的接納性更強(qiáng)。更重要的是，在國(guó)內(nèi)TSV技術(shù)穩(wěn)定性較難控制的情況下，TMV技術(shù)的良率有所保障。然而，TMV技術(shù)也存在劣勢(shì)，一方面通孔精密度不高，另一方面，散熱效果還有待提升。這些都是目前TMV技術(shù)有待改善的關(guān)鍵點(diǎn)。

4 TGV垂直互連結(jié)構(gòu)

4.1 TGV技術(shù)背景介紹

隨著封裝體的集成度不斷提高，系統(tǒng)級(jí)封裝和3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及器件加工工藝和材料特性能力等的需求，加之TSV/TMV互連結(jié)構(gòu)本身也存在局限性，所以在2.5D和3D封裝領(lǐng)域必然出現(xiàn)不同路線(xiàn)的工藝和材料方案，以彌補(bǔ)市場(chǎng)需求。

在2010年第60屆電子元件和技術(shù)會(huì)議上，來(lái)自德國(guó)費(fèi)勞恩霍夫可靠性和微集成研究所的邁克爾博士，與專(zhuān)業(yè)的玻璃材料制造商肖特公司聯(lián)合，首次提出了TGV技術(shù)概念[16]，提出玻璃通孔在工藝穩(wěn)定性、制程成本以及射頻和微波電性能方面相對(duì)于硅通孔較為優(yōu)越。

在隨后的幾年里，業(yè)界諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)玻璃及TGV結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了深入的拓展和探索研究，國(guó)內(nèi)以廈門(mén)云天半導(dǎo)體科技有限公司為首，國(guó)外以肖特、博世公司為首，在應(yīng)用領(lǐng)域不斷挖掘，目前已知在MEMS封裝、3D IC轉(zhuǎn)接板以及IPD集成和射頻元器件工藝方面的嘗試均取得了非常不錯(cuò)的效果[17]。尤其在2015年之后，由于5G毫米波概念慢慢進(jìn)入人們的視野，業(yè)內(nèi)諸多專(zhuān)家學(xué)者和無(wú)線(xiàn)通訊以及信號(hào)基站制造商針對(duì)使用玻璃為載體的TGV結(jié)構(gòu)工藝，探索其在高頻信號(hào)下的傳輸性能，最后因玻璃具備電阻率較高、高信號(hào)隔離、低介電損耗的特性取得了非常優(yōu)秀的成果。而TSV工藝結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體硅材料，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)影響下載流子會(huì)移動(dòng)從而影響電路信號(hào)，所以以玻璃為載體的TGV工藝結(jié)構(gòu)在毫米波產(chǎn)品應(yīng)用中更優(yōu)于TSV結(jié)構(gòu)。TGV結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)在光通信、射頻、微波、微機(jī)電系統(tǒng)、微流體器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[18-19]。此外，因?yàn)椴ＡУ奈锢硖匦钥煽?，工藝中無(wú)需制作絕緣層，降低了工藝復(fù)雜度和成本，所以在未來(lái)三維異質(zhì)集成中，TGV結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是替代TSV結(jié)構(gòu)的理想解決方案[20]。

4.2 TGV結(jié)構(gòu)工藝

對(duì)于TGV互聯(lián)結(jié)構(gòu)的一大挑戰(zhàn)就是如何快速且經(jīng)濟(jì)地形成大批量結(jié)構(gòu)通孔（如圖7所示）。TGV結(jié)構(gòu)的通孔形成方法和TSV結(jié)構(gòu)相比，雖然最終目的是一樣的，都是完成封裝體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的垂直互聯(lián)作用，但因玻璃和硅材料本身還是存在不小的差異，所以工藝制程上又存在區(qū)別，目前為大家熟知的TGV結(jié)構(gòu)中通孔形成的方式有超聲鉆孔、噴砂工藝、濕法刻蝕、深反應(yīng)離子刻蝕DRIE、激光鉆孔、聚放電工藝FED、光敏玻璃感光成形以及采用激光誘導(dǎo)深度蝕刻LIDE。

圖7 TGV結(jié)構(gòu)[17,19]

傳統(tǒng)的噴砂法、濕法刻蝕法都存在一定的局限性，深反應(yīng)離子刻蝕的效率十分低下。激光鉆孔是較為適用的方法，因其成本低且覆蓋范圍廣贏得了業(yè)界的關(guān)注。激光鉆孔根據(jù)波長(zhǎng)和類(lèi)型分為好幾類(lèi)，其中有波長(zhǎng)從1μm短波激光到10.6μm的CO2激光，還有具備紫外波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光。CO2激光因其工藝質(zhì)量和效力不高而被否定，而基于準(zhǔn)分子激光和聚放電工藝技術(shù)的TGV通孔效力可達(dá)每秒上千個(gè)玻璃通孔。

樂(lè)普科激光電子股份有限公司及廈門(mén)云天半導(dǎo)體科技有限公司分別在2014和2019年對(duì)激光誘導(dǎo)刻蝕工藝進(jìn)行介紹和深度研究[21-22,24]，被認(rèn)為是目前對(duì)TGV通孔成形最有效的方式。其工藝步驟主要為兩步：第一是用皮秒激光去改性基底玻璃，第二步使用10%的HF去做玻璃刻蝕從而形成玻璃通孔。這一工藝被廈門(mén)云天半導(dǎo)體科技有限公司稱(chēng)之為L(zhǎng)aser Induce Deep Etching，其形成的玻璃通孔可以獲得較高的深寬比，同時(shí)沒(méi)有碎屑和裂紋，工藝具有良好的穩(wěn)定性，且深入研究表明此工藝如果使用材質(zhì)是硅玻璃，其垂直通孔形成后表面將更為光滑。LPKF激光所進(jìn)行的玻璃改性的處理速度為每秒大約5000個(gè)玻璃通孔，TGV的直徑可達(dá)10~50μm，節(jié)約了大量的工藝時(shí)間并保證了工藝能力。

形成玻璃通孔只是TGV結(jié)構(gòu)工藝過(guò)程的一部分。填孔和金屬化布線(xiàn)是接下來(lái)不可或缺的工作。TGV結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接板基本流程為[23]：在玻璃通孔完成之后進(jìn)行通孔電鍍，之后再進(jìn)行介電層和布線(xiàn)層以及金屬化層等類(lèi)似TSV結(jié)構(gòu)的工藝制程。TGV金屬化流程及相關(guān)切片如圖8所示。

圖8 TGV金屬化流程及相關(guān)切片[23]

4.3 TGV技術(shù)優(yōu)劣性及挑戰(zhàn)

玻璃通孔技術(shù)雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著多方不足。一是現(xiàn)有的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)TGV結(jié)構(gòu)，但有些方法會(huì)損傷玻璃，且造成表面不光滑；二是大多數(shù)加工方法效率低，沒(méi)法大規(guī)模量產(chǎn)；三是TGV結(jié)構(gòu)的電鍍成本和時(shí)間相比TSV結(jié)構(gòu)略高；四是玻璃襯底材質(zhì)表面的黏附性較差，容易導(dǎo)致RDL金屬層異常；五是玻璃本身的易碎性和化學(xué)惰性給工藝開(kāi)發(fā)帶來(lái)了難度。還有就是此技術(shù)對(duì)于市場(chǎng)而言還屬于相對(duì)新興的技術(shù)，雖然已有不錯(cuò)的反響，且市場(chǎng)規(guī)模在逐年擴(kuò)大，但市場(chǎng)需求和應(yīng)用生態(tài)還沒(méi)有產(chǎn)生很大的改變，有待未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展。

5 結(jié)論

TSV、TMV、TGV結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，沒(méi)有一種通孔結(jié)構(gòu)可以完美應(yīng)用于各種高密度高維度集成封裝。TSV結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體電子存儲(chǔ)和CIS領(lǐng)域有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，但材料兼容性不高、工藝成本高昂。TMV結(jié)構(gòu)則工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，但工藝技術(shù)能力的應(yīng)用處于相對(duì)低端封裝領(lǐng)域。TGV結(jié)構(gòu)雖在射頻和微波傳輸方面有更大的優(yōu)勢(shì)，但是材料工藝有局限性。3種垂直互連結(jié)構(gòu)具體如何運(yùn)用，還要結(jié)合具體的實(shí)際應(yīng)用需求，以使得封裝結(jié)構(gòu)更合理，優(yōu)點(diǎn)更多，性能更突出。同時(shí)，未來(lái)還需持續(xù)優(yōu)化各個(gè)垂直互連結(jié)構(gòu)，改進(jìn)各垂直互連結(jié)構(gòu)的工藝方法，進(jìn)一步完善高密度集成封裝技術(shù)。