【光电集成】先进封装：TSV（硅通孔）/TGV(玻璃通孔）

今日光电 2024-08-29 18:00

入门级示波器的属性缺陷 精密双向电流传感放大器，提供精准测量

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一、TSV：硅通孔技术，芯片垂直堆叠互连的关键技术

TSV（Through Silicon Via），硅通孔技术，是通过硅通道垂直穿过组成堆栈的不同芯片或不同层实现不同功能芯片集成的先进封装技术。TSV 主要通过铜等导电物质的填充完成硅通孔的垂直电气互连，减小信号延迟，降低电容、电感，实现芯片的低功耗、高速通信，增加带宽和实现器件集成的小型化需求。

此前，芯片之间的大多数连接都是水平的，TSV 的诞生让垂直堆叠多个芯片成为可能。Wire bonding（引线键合）和 Flip-Chip（倒装焊）的 Bumping（凸点）提供了芯片对外部的电互连，RDL(再布线)提供了芯片内部水平方向的电互连，TSV 则提供了硅片内部垂直方向的电互连。

1、TSV 三种主要应用方向：背面连接、2.5D 封装、3D 封装

TSV 有多种用途，可大致分为 3 种：

(a) 垂直的背面连接，无芯片堆叠，如“简单的背面连接”。TSV 位于有源晶粒（active die）中，用于连接至晶圆背面的焊盘（bond pad）；

(b) 2.5D 封装。晶粒（die）连接至硅中介层（interposer），TSV 在中介层中；

(c) 3D 封装。TSV 位于有源晶粒中，用于实现芯片堆叠。

(a) TSV 作为简单背面连接：用于 CIS 和锗化硅（SiGe）功率放大器

TSV 三种主要应用方式中，简单的背面连接结构是技术难度最低的，也是 TSV技术首次大规模投入生产时的应用方向，如 CMOS 图像传感器（CIS）、SiGe 功率放大器两个产品就应用了 TSV 技术。

将 TSV 用于 CMOS 图像传感器有许多优点：

1）使用 TSV 代替引线键合可以减小相机模组的尺寸。

2）简化了图像传感器的晶圆级封装（WLP）。WLP 工艺的第一步是将玻璃晶圆附着到图像传感器的正面，防止光刻胶(抗蚀剂)微透镜在组装过程中受到损坏和污染，然而安装好玻璃晶圆后会使从晶圆正面到焊盘的连接途径受阻，TSV 通过简化晶圆级封装，对此问题提供了简易的解决方法。

(b) TSV 应用于 2.5D 封装：FPGA

与简单的背面连接相比，2.5D 先进封装的硅中介层需要更小的 TSV 间距（≤50 μm），因此需要更先进的 TSV 工艺。

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件是最早使用硅中介层的产品之一：硅中间层可以使芯片间密切连接，整合后的结构看起来像单个大尺寸的 FPGA 芯片，解决了早期直接构建单个大尺寸 FPGA 芯片的技术难题。

(c) TSV 应用于 3D 封装：存储器堆叠

储器堆叠是首批应用 3D 堆叠 TSV 结构的产品之一，和 2.5D 封装中硅中阶层对 TSV 间距的需求相似，但实际应用中难度更高，例如宽 I/O DRAM 设备。使用宽 I/O DRAM 和芯片堆叠的优势包括封装高度降低40%，功耗降低50%，带宽增加 6 倍。

2、TSV关键工艺

TSV 工艺包括深硅刻蚀形成微孔，再进行绝缘层、阻挡层、种子层的沉积，深孔填充，退火，CMP 减薄，Pad 的制备叠加等工艺技术。

1）孔成型：孔成型的方式有激光打孔、干法刻蚀、湿法刻蚀等。基于深硅刻蚀（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）的 Bosch工艺是目前应用最广泛工艺。反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）工艺是采用物理轰击和化学反应双重作用的刻蚀，Bosch 工艺通过刻蚀和保护交替进行来提高 TSV 的各向异性，保证 TSV 通孔垂直度。

2）沉积绝缘层：TSV 孔内绝缘层用于实现硅村底与孔内传输通道的绝缘，防止 TSV通孔之间漏电和串扰。TSV 孔壁绝缘介质材料选用无机介质材料，包括PECVD、SACVD、ALD 和热氧化法。

3）沉积阻挡层/种子层：在2.5D TSV 中介层工艺中，一般使用铜作为 TSV 通孔内部金属互联材料。在电镀铜填充 TSV 通孔前，需在 TSV 孔内制备电镀阻挡/种子层，一般选用 Ti、Ta、TiN、TaN 等材料。TSV 电镀种子层起着与电镀电极电连接并实现 TSV 孔填充的作用。

4）电镀填充工艺：TSV 深孔的填充技术是 3D 集成的关键技术，直接关系到后续器件的电学性能和可靠性。可以填充的材料包括铜、钨、多晶硅等。

5）CMP（化学机械抛光）工艺和背面露头工艺：CMP 技术用于去除硅表面的二氧化硅介质层、阻挡层和种子层。TSV 背面露头技术也是 2.5DTSV 转接基板的关键工艺，包括晶圆减薄、干/湿法刻蚀工艺。

6）晶圆减薄：晶圆表面平坦化后，还需要进行晶圆背面的减薄使 TSV 露出，传统的晶圆减薄技术包括机械磨削、CMP 和湿法腐蚀等。目前业界主流的解决方案是将晶圆的磨削、抛光、保护膜去除和划片膜粘贴等工序集合在一台设备内。

二、TGV(玻璃通孔/Through Glass Via）

TGV技术是TSV技术的延续，主要区别在于引入了基板种类的变化。TSV（Through Silicon Via）是指通过在硅中介层打孔的方式实现实现垂直互联，而与之对应的TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）是指穿过玻璃基板的垂直电气互连，它们都通过在中介层打孔并进行电镀填充来实现垂直方向的电气互联，以此来降低信号传输的距离，增加带宽和实现封装的小型化。而与TSV不同的是，TGV的中介层基板使用的是高品质硼硅玻璃、石英玻璃，以此来取得比硅中介层更好的封装表现，被认为是下一代三维集成的关键技术。

作为替代硅基中介板的材料，TGV/玻璃通孔中介板成为行业研究热点。

1、玻璃通孔成孔技术：如何制作高精度的通孔/盲孔

玻璃通孔成孔技术是制约TGV发展的主要困难之一。TGV通孔的制备需要满足高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求，如何制备出高深宽比、窄节距、高垂直度、高侧壁粗糙度、低成本的玻璃微孔一直是多年来各种研究工作的重心。目前主流的玻璃通孔加工成型方法有喷砂法、聚焦放电法、等离子刻蚀法、激光烧蚀法、电化学放电法、光敏玻璃法、激光诱导刻蚀法等。

1）喷砂法：加工精度较低，应用场景较少

加工步骤：喷砂法要求在加工前先在玻璃基板上制作一层复合掩模，然后以制备的复合掩模为基础，采用干粉喷砂工艺对玻璃晶片进行蚀刻。考虑到蚀刻效率和宽高比，可在玻璃晶片的一侧先蚀刻一次，随后在玻璃晶片的另一侧也采用同样的工艺步骤进行蚀刻，两次喷砂蚀刻过程中必须保证中心点完全对称以形成完整的通孔。

工艺特点：由于喷砂法制作的通孔非常粗糙，孔孔径较大且一致性较差，所以该方法只能制作孔径较大(>200 μm)、间距较大的玻璃通孔，而逐渐退出三维集成封装的应用范畴；同时，该工艺中使用的沙粒直径一般为20~50μm，如此大的颗粒碰撞会对玻璃表面以及孔的侧壁造成封装系统无法接受的损伤，以此少见于先进封装工艺。

2）聚焦放电法：通孔均匀性好，生产效率较低

加工步骤：聚焦放电主要包括两个步骤：1. 将玻璃放在两个电极之间，通过控制放电对玻璃局部区域进行放电熔融；2. 通过焦耳热使玻璃内部产生高应力，引起内部高压和介电击穿，上述步骤可以在不到1 μs的时间内就完成100~500 μm厚的玻璃通孔制备，可以制备最小孔径为20μm、深宽比5~8的玻璃通孔。

工艺特点：聚焦放电产生玻璃通孔的方法可以制备多种类型的玻璃，如石英、钠钙玻璃、无碱玻璃、含碱玻璃等，且从聚焦放电制作的TGV阵列可以看出，该方法能够制作均匀性较好、没有裂纹的高密度通孔。但由于此方法是单次进行单孔制作，所以生产效率较低，且从玻璃通孔的切片结果来看，通孔的形状不是很垂直，可能会影响后续填充的效果。

3）等离子体刻蚀：通孔可靠性提高，工艺成本较高

加工步骤：用等离子刻蚀法在石英玻璃上制作玻璃通孔步骤如下：1. 在石英上蒸发沉积了一层铝层作为刻蚀硬掩模；2. 通过光刻的方法暴露出玻璃表面需要光刻的位置；3. 用氯气或者三氯化硼腐蚀暴露的铝层，用氧气等离子体去除玻璃表面的光刻胶；4. 利用全氟环丁烷/氩气等离子体蚀刻石英以形成TGV。

工艺特点：等离子体法刻蚀TGV可以同时进行大面积的多个TGV刻蚀，因此生产效率相较聚焦放电法可以得到改善，且因为其侧壁粗糙度小（<150nm）、侧壁无损伤，拥有良好的可靠性保证。但是等离子刻蚀TGV的方法也还存在许多缺点，包括工艺复杂，需要额外的多个步骤；生产成本高，需要用到掩膜版、光刻胶等；以及刻蚀速率慢，速率小于1 μm/min。

4) 激光烧蚀法：通孔垂直度较高，但粗糙度、无裂纹无法兼顾

激光烧蚀TGV制作是利用激光的能量将玻璃烧蚀以形成玻璃通孔，可制备出垂直度高的玻璃通孔。激光烧蚀所使用激光器主要包括飞秒激光、皮秒激光、纳秒准分子激光器和CO2激光器等。其中CO2激光属于“热激光”，其通过局部烧蚀玻璃材料形成TGV，但利用该种激光制备的TGV侧壁裂纹较多（热应力问题）；准分子激光器属于“冷激光”，其烧蚀形成的TGV孔壁基本上没有裂纹出现，但是孔壁的粗糙度略大（4~5 μm），且成孔效率较低。

5）电化学放电加工法：工艺简单设备要求低，但可加工孔径较大

加工步骤：电化学放电加工法是一种将电火花加工（EDM）和电解加工（ECM）相结合的新型低成本玻璃微加工方法。该方法通过电解液的电化学放电和化学腐蚀产生的热熔作用，将材料从基板中去除。电化学加工的电解槽由一个碱性电解质溶液（氢氧化钾、氢氧化钠等）和两个电极组成，工具电极和对电极分别连接到电源的正、负端子上。当两个电极之间施加电位差时，在工具电极周围由于气泡的聚结而形成一层薄薄的氢气膜，将工具电极与周围的电解液完全隔离。当电位差进一步增大时，氢气膜破裂，产生电化学放电，并将将玻璃融化并移除。

工艺特点：该方法不仅工艺简单，且对设备要求较低，能快速加工出TGV。但是目前该方法只能加工出孔径大于300 μm且上开口大于下开口的锥形玻璃通孔，这也大大限制了该方法的应用范围。

6）光敏玻璃法：高密度、高深宽比通孔，但成本较高、材料受限

加工步骤：光敏玻璃法是指根据光敏玻璃材料特性，利用紫外曝光、热处理、湿法刻蚀等方法实现玻璃通孔加工的工艺流程。加工前需先将玻璃进行预处理，即将玻璃先后放入异丙醇和丙酮中分别超声清洗10min取出后用氮气吹干，除去玻璃表面杂质，随后先通过紫外光对光敏玻璃进行曝光，并在马弗炉中进行热处理以让紫外线照射过的区域材料变性成为陶瓷材料，最后通过氢氟酸溶液进行湿法刻蚀来去除陶瓷材料，整个加工过程中需要精密的温度控制。

工艺特点：基于光敏玻璃的TGV制作方法优势在于采用高刻蚀速率的湿法腐蚀可以实现各向异性刻蚀，从而获得高密度、高深宽比的玻璃通孔。但是该技术也存在两个问题：1. 价格昂贵，光敏玻璃本身的材料价格和工艺制程价格都相对较高；2. 对于不同尺寸的图形，尤其是盲孔或者盲槽的刻蚀，由于腐蚀速率不同会造成图形定义精度差别较大；3. 由于需要高温处理，会导致玻璃在半固化状态下移动，造成结构偏移。

7）激光诱导刻蚀法：目前最有大规模使用前景的工艺

加工步骤：通过脉冲激光诱导玻璃产生连续的变性区，相比未变性区域的玻璃，变性玻璃在氢氟酸中刻蚀速率较快，基于这一现象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。根据《玻璃通孔三维互连镀铜填充技术发展现状》（纪执敬等），德国LPKF公司率先用该技术实现了玻璃通孔制备，该公司将该方法分为两步：1. 使用皮秒激光在玻璃上产生变性区域；2. 将激光处理过的玻璃放到氢氟酸溶液中进行刻蚀，该工艺可以制备孔径最小为10μm的TGV通孔，典型深宽比在10:1的范围内，某些特殊条件下根据玻璃类型可达到50:1。国内方面，厦门云天半导体科技有限公司成功开发了先进TGV激光刻蚀技术，实现了深宽比为10:1的玻璃通孔量产，研发结果显示，该技术可以制备深宽比为20:1的通孔和5:1的盲孔，且具备较好的形貌。

工艺特点：激光诱导刻蚀法的反映机理与上文展示的光敏玻璃法类似，都是通过某种光线的照射使得玻璃内部出现变性区域，然后通过酸溶液湿法刻蚀完成，区别在于激光诱导刻蚀法对无需使用特殊的光敏玻璃。此外，激光诱导刻蚀法的优势还包括：1.可以在50~500μm 厚的玻璃上形成孔径大于20 μm的玻璃通孔，成孔质量均匀，一致性好，无裂纹；2. 成孔速率快，可达到290TGV/s；3. TGV形貌可调，由于刻蚀的各向异性，可以通过调节激光参数来控制TGV的垂直度和形貌。但也具有激光诱导速度慢、制备过程复杂、激光诱导孔径受激光范围限制、表面易损伤及对材料要求高等缺点。

综合比较各种玻璃通孔制造技术，激光诱导刻蚀法具有低成本优势，有大规模应用前景。

2、TGV填充

简单的说就是：类似硅通孔（TSV）的金属填充方案也可以应用在玻璃通孔（TGV）工艺技术上。首先，制作玻璃通孔（TGV）工艺技术盲孔；其次，通过物理气相沉积（PVD）的方法在玻璃通孔（TGV）工艺技术盲孔内部沉积种子层；再次，自底向上电镀，实现TGV 的无缝填充；最后，通过临时键合，背面研磨、化学机械抛光（CMP）露铜，解键合，形成玻璃通孔（TGV）工艺技术金属填实转接板。