TGV,英文缩写 “Through-Glass Via”,即是穿过玻璃基板的垂直电互连。和TSV相对应的是,作为一种可能替代硅基板的材料,玻璃通孔(TGV)三维互连技术因众多优势正在成为当前的研究热点。
由于硅是一种半导体材料,TSV 周围的载流子在电场或磁场作用下可以自由移动,对邻近的电路或信号产生干扰,影响芯片性能。而玻璃材料没有自由移动的电荷,介电性能优良,不需要沉积绝缘层;同时玻璃热膨胀系数可调,可以降低与不同材料间的热失配;另外,由于大尺寸玻璃面板易于获取,因此玻璃成本约为硅衬底的1/8。机械稳定性强,即便当厚度小于100µm时,翘曲依然较小。
TGV技术面临的关键问题是没有类似硅的深刻蚀工艺,难以快速制作高深宽比的玻璃深孔或沟槽。传统的喷砂法、湿法刻蚀法和激光钻孔法等均存在一定的局限性。感应耦合等离子体( ICP) 干法刻蚀技术控制精度高,刻蚀表面平整光滑,垂直度好,常用于刻蚀高深宽比结构,但各向同性刻蚀严重。由于玻璃衬底上掩膜沉积工艺的限制,在深孔刻蚀时,需要一定的刻蚀选择比。在保证侧壁垂直性与刻蚀选择比的同时提高玻璃刻蚀速率成为目前研究的难点。
TGV通孔制备的方法有喷砂、机械钻孔、干法刻蚀、湿法腐蚀、聚焦放电等,然而上述方法都有明显的缺点,目前TGV通孔制备的使用最广泛的方法是:激光刻蚀与激光诱导变性。
玻璃基板具有优异的高频电学性能,与二维平面电感相比,采用TGV结构的三维电感具有更好的品质因数。与硅相比,玻璃的介电常数较低,电阻率较高,因而具有较好的高频性能。诸如使用TGV构建的滤波器和双工器之类的无源器件,在确保较小的带内插损和较大的带外抑制能力的同时,还能在尺寸上做小。因此被广泛的应用于集成无源器件(IPD)之中。其次,玻璃板材翘曲可控制在1mm以内,并且无明显结构剥落分层现象。
利用玻璃穿孔技术实现射频MEMS器件的晶圆级封装,采用电镀方案实现通孔的完全填充。
玻璃通孔还可以在玻璃上制作空腔,进而为芯片的封装提供一种嵌入式玻璃扇出(eGFO)的新方案。实现高I/O密度和高性能的玻璃面板扇出封装,并有效的控制芯片的偏移和翘曲。工艺流程如下图所示:在厚度为180um的玻璃晶片中,先采用激光诱导玻璃变性和化学腐蚀工艺形成玻璃空腔,然后将175um高的芯片放入玻璃空腔总。通过复合材料将芯片和玻璃之间的缝隙填压而不产生空隙,同时保护芯片的背面。对晶圆的顶面进行剥离,形成铜RDL,最后进行后续线路制作、球栅阵列(BGA)制作以及晶圆切片。
首先采用激光诱导刻蚀制备波导缝隙阵列天线玻璃衬底,通过激光在玻璃上诱导产生连续性的变性区,后将变性后的玻璃在稀释氢氟酸总进行刻蚀,玻璃会成块脱落从而形成目标通孔结构。其次,采用物理气相沉积对每层波导缝隙阵列天线玻璃衬底溅射铜层,经过氧等离子体清洗以彻底清除焊盘表面的有机物等颗粒,并使晶圆表面产生一定的粗糙度,为种子层的良好附着创造条件。清洗后的晶圆在烤箱150℃下烘烤60min彻底去除水汽。然后在磁控溅射设备中,晶圆表面溅射一层厚度约为5μm的铜层。最后,采用技术焊料键合技术将5片晶圆键合(具体为:用刮刀以及丝网将10μm厚度的锡焊料印刷到晶圆表面,然后在键合机的真空腔室中以240℃的温度加热,以40N的压力压合5min使焊料融化或相互扩散以达到键合的目的)。
使用导电胶填充玻璃通孔,从而实现多层玻璃基板堆叠,在回流过程中,通过该方案制作的多层玻璃基板的翘曲比传统有机基板要小,通过该技术可以实现高密度布线,同时具有较高的可靠性。工艺流程如图所示:在完成刻蚀开孔的玻璃基板上,采用物理气相沉积对通孔及一侧玻璃衬底制作铜层,经过光刻型干膜贴附未镀层的一侧玻璃,干膜刻蚀完成孔连通后,在通孔内印刷导电胶。然后分别将通孔镀铜和通孔印刷导电胶的玻璃基板进行叠层和热压合。最后,对顶面玻璃基板进行溅射金属,形成铜RDL,bumping后,放置硅芯片完成后续常规封装步骤。
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