TGV 制造难题，探寻玻璃芯基板应用新路径

在电子行业的先进封装领域，对更高性能的追求正促使一些先进封装制造商从传统的有机基板转向玻璃芯基板。与有机基板相比，玻璃芯基板具有显著优势。其机械强度更优异，能更好地适配大尺寸封装；在电气性能方面表现更佳，并且能够满足 1.5µm 及以下的新型线宽 / 间距要求，从而支持先进逻辑节点和高性能封装的密集互连，如图 1 所示。

图1:有机和玻璃芯基板路线图

然而，尽管玻璃基板优势明显，但目前还无法取代有机基板成为先进封装基板的首选材料。得益于一系列创新，有机基板在先进封装领域仍保持着可行性。不过，许多制造商已提前布局，开始研发玻璃基板，而不是等待有机基板达到其技术瓶颈。为了优化从有机基板到玻璃基板的过渡，互连技术也在不断变革。

玻璃通孔 (TGV) 作为穿过玻璃基板的关键垂直电气连接，需要超高精度的加工，这导致了诸多必须克服的障碍。玻璃本身很脆，这不仅给操作带来挑战，也给整个制造过程带来了许多潜在问题。从面板上的激光加工到湿法蚀刻、金属化和平面化，每一步都可能出现各种误差，包括裂纹、关键尺寸偏差、碎屑清除不彻底、空隙、过填充和过度抛光等，如图 2 所示。其中，裂纹问题尤为突出。工艺早期出现的小裂纹有可能在后期发展成更大的、甚至可能是 “致命” 的缺陷，从而影响最终产品的性能和可靠性。

图2:TGV缺陷示例（a）TGV缺失，（b）TGV不完整，（c）金属化后的TGV裂纹

TGV 的定位精度对于玻璃基板正反两面之间可靠的电气连接至关重要，即使是轻微的偏差也可能导致信号完整性问题或器件失效。此外，通孔的形状和尺寸也需要严格控制。TGV 的顶部、底部和腰部直径之间的关系决定了通孔的轮廓。如果侧壁过于陡峭或凹陷（底部较窄），则会影响电镀工艺，导致通孔金属填充不完整或出现空隙，从而影响最终器件的电信号性能和可靠性。

如今，制造商正在采用多种最佳实践来优化 TGV 工艺。在进料质量控制方面，适当的工艺控制包括识别进料玻璃基板表面或内部的任何缺陷，并确定玻璃的厚度均匀性。在 TGV 制造工艺的每个步骤之后，测量关键尺寸至关重要，控制这些尺寸对于保持最终产品的完整性和优化良率至关重要。

下面详细介绍整个 TGV 制造流程，从裸玻璃面板开始，逐步讲解通孔的制造、TGV 镀铜以及 TGV 化学机械抛光。

TGV制造：每一步都至关重要

TGV 的制造始于一块无缺陷的玻璃面板。进料玻璃面板上的缺陷会随着 TGV 制造流程的推进而不断累积。即使是微小的缺陷，例如裂纹、夹杂物、划痕或表面颗粒，都可能在制造过程中产生严重影响，最终导致灾难性的故障。此外，光刻胶涂层缺陷、单层有机残留物以及涂层厚度的变化也会导致严重的工艺控制问题。因为 TGV 制造对精度和结构完整性的要求极高，所以这些问题在 TGV 制造中尤为突出。

图3:TGV制造工艺

玻璃面板厚度的均匀性同样至关重要。玻璃芯基板厚度不均匀会显著影响 TGV 的制造和可靠性。由于玻璃厚度变化，通孔形成过程中的深度控制可能变得不稳定，导致通孔不完整或过度蚀刻，例如增加通孔腰部直径的变化，从而影响最终器件的性能。另一个主要问题是，基板厚度不均匀会影响表面平整度，而表面平整度对于后续的制造步骤（例如光刻、焊球和芯片键合）至关重要。

图4:玻璃面板，带TGV

完成这些步骤后，面板将采用湿式化学和等离子方法进行彻底清洁，以去除表面污染物。然而，这一步骤面临诸多挑战。如果颗粒污染物未能完全清除，则可能影响激光改性或干扰后续层的附着力。此外，任何残留的表面粗糙度都可能对下游工艺（例如光刻和金属化）产生负面影响，从而可能损害精细特征的精度。

下一步是通孔形成阶段。业界已采用多种玻璃加工技术，包括机械钻孔、直接激光烧蚀以及基于光刻的工艺，这些工艺使用光敏玻璃，随后进行各向同性湿法刻蚀或深反应离子刻蚀 (DRIE)。

后处理：接下来的关键步骤

通孔形成后，基板需进行清洗和表面处理。这包括湿法化学刻蚀和等离子处理，以去除碎屑并为金属化做好准备。此步骤必须精细控制，以避免热损伤。常见的挑战包括控制热输入和碎屑排出。潜在的缺陷包括热应力引起的微裂纹和不规则的通孔轮廓，这些都会使后续的金属沉积变得复杂。此外，碎屑清除不彻底会导致电镀过程中出现空隙，从而影响通孔填充的完整性；而过度刻蚀则会损坏通孔壁或降低后续层的附着力，这两种情况都可能导致最终器件的可靠性问题。

接下来是籽晶层沉积（seed layer deposition）步骤。在此步骤中，通常采用溅射或化学镀法沉积一层薄的导电层，例如 Ti/Cu 或 Cr/Cu。该导电层作为电镀的基础。此阶段的挑战包括如何在深宽比高的通孔内实现均匀覆盖，这对于确保铜填充的完整性和可靠性至关重要。表面处理不当或污染也可能导致粘附失效，进而可能表现为器件运行过程中的分层或电气不连续。

然后采用电镀法将铜沉积到通孔中，完成通孔填充。这一步骤必须严格控制，以避免常见的缺陷，例如铜填充层中的空隙或接缝，这些缺陷会影响导电性和机械强度。过度电镀也是一个需要关注的问题，因为它会造成表面形貌问题，使后续的平坦化和图案化步骤变得复杂。

通孔填充完成后，采用化学机械抛光 (CMP) 进行表面平坦化处理。此步骤可去除多余的铜和籽晶层，从而形成平整的表面。然而，CMP 也会带来一些挑战。铜结构可能会出现过度凹陷或腐蚀，尤其是在整个面板上工艺不均匀的情况下。不均匀的平坦化会导致层厚度变化，这可能会影响最终器件的性能和可靠性。

接下来是重分布层 (RDL) 的形成。这包括光刻、金属沉积和蚀刻，以在玻璃芯的侧面创建必要的互连图案。此步骤对对准和图案化精度非常敏感。与底层过孔的未对准会导致开路或短路，而图案化过程中的缺陷会导致电气故障或良率降低。

该工艺接近尾声时，将各个芯片进行最终的单晶化。残留污染物，例如离子残留物，会影响长期可靠性，尤其是在高性能应用中。此外，玻璃的脆性使其在单晶化过程中容易开裂，这可能导致良率损失或潜在的可靠性问题。

从始至终的过程控制解决方案

在 TGV 制造工艺开始之前，必须确保玻璃面板无夹杂缺陷或裂纹。一种专为透明、半透明和不透明基材设计的激光扫描和光学系统，具有亚纳米级灵敏度和全表面检测能力，可用于检测表面和边缘缺陷，包括颗粒、划痕、凹坑、污渍和碎屑，以及单层有机残留物。通过使用多种检测模式（包括偏振、斜率、明场和暗场），制造商可以实现亚纳米级的检测灵敏度。除了检测裸玻璃面板外，在开始 TGV 工艺之前测量玻璃厚度也至关重要，玻璃面板厚度的均匀性是关键。

在制造开始前对玻璃进行检查并测量其厚度固然重要，但在 TGV 制造和金属化过程中，许多特定工艺步骤中的关键在于 CD 计量和缺陷检测。TGV 成型后，通常需要进行后处理清洗以去除碎屑。在此步骤中，采用亚微米级自动光学检测来检查残留颗粒、微裂纹或表面异常，这些缺陷可能会影响后续的金属沉积。

除了缺陷检测外，制造商还需要测量通孔顶部、中部和底部的临界尺寸 (CD)，以及通孔相对于设计的位置精度。高分辨率、高通量的光学面板检测和计量系统可用于测量面板上每个玻璃微孔 (TGV) 的这些参数，从而实现对激光和蚀刻工艺的精确监控。此外，检测激光调制的变化、蚀刻不完全、单个玻璃微孔上的微裂纹、多个玻璃微孔之间的较大裂纹以及玻璃表面的凹坑和凹痕对于工艺优化至关重要。

在金属化和平面化步骤中，检测系统可以持续监测玻璃裂纹和残留物等缺陷。然而，还需要进行三维计量测量，以监测镀层过厚 / 过薄、抛光过度 / 不足以及表面粗糙度，因为这些因素都可能影响整体电气性能。

最后，在检测和良率分析阶段，亚微米检测工具和良率管理软件的集成使用非常适合支持高通量检测和高级数据分析。面板上数百万个 TGV（热导率仪）使得在短时间内分析大量检测和计量数据的能力至关重要。良率管理软件的使用可以缩短分析时间，识别系统性缺陷，并将工艺参数与良率结果关联起来。此外，制造商可以通过自动化缺陷分类、跨系统集成数据以及实现实时反馈，克服关键挑战，并在先进封装应用中实现更高的效率和良率。自动化缺陷分类软件无需人工审核，并提供基于共识的决策，可以帮助工程师快速识别根本原因并评估芯片级质量。此外，通过强大的反馈回路将缺陷数据输入分析软件，制造商可以从流程开始到结束，对整个流程进行实时调整。

这些解决方案共同构成了一个全面的生态系统，支持整个 TGV 开发过程，使制造商能够克服关键挑战，并在先进封装应用中实现更高的效率和良率。

小结

目前，玻璃芯基板在集成电路基板领域的应用正处于起步阶段，未来市场增长潜力巨大。根据 Yole Group 的最佳预测，到 2030 年，玻璃芯基板的收入预计将增长至 2.75 亿美元。如果拥有合适的工具，制造商将能够满足日益增长的玻璃芯基板需求。然而，充分发挥玻璃芯基板和玻璃热压成型 (TGV) 的潜力，不仅仅在于拥有工具；更重要的是协同运用这些工具，构建一个稳健、可重复且良率优化的工艺流程。随着玻璃基板应用的加速，那些投资于全面工艺洞察的制造商将引领行业发展。