【光电集成】玻璃基板的四大关键技术挑战

今日光电 2024-12-07 18:44 842浏览 0评论 0点赞

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工智能对高性能、可持续计算和网络硅片的需求无疑增加了研发投入，加快了半导体技术的创新步伐。随着摩尔定律在芯片层面的放缓，人们希望在 ASIC 封装内封装尽可能多的芯片，并在封装层面获得摩尔定律的好处。

承载多个芯片的 ASIC 封装通常由有机基板组成。有机基板由树脂（主要是玻璃增强环氧层压板）或塑料制成。根据封装技术，芯片要么直接安装在基板上，要么在它们之间有另一层硅中介层，以实现芯片之间的高速连接。有时在基板内嵌入互连桥而不是中介层来提供这种高速连接。

有机基板的问题在于它们容易出现翘曲问题，尤其是在芯片密度较高的较大封装尺寸中。这限制了封装内可封装的芯片数量。这时，玻璃基板可能会成为改变游戏规则的利器！

目前，国内从事先进封装的玻璃基板工厂大多还未进入量产阶段，多数仍处于研发阶段。他们正在解决玻璃与金属层的结合力问题、填孔问题，以及未来更高层数的可靠性问题。预计到2025年底或2026年，这些工厂才能达到量产水平。在此之前，大部分工作仍将集中在研发上。

四大关键技术挑战

玻璃基板技术虽然具有巨大的潜力和优势，但要实现其在先进封装领域的广泛应用，仍需克服众多技术挑战。

高精度通孔

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。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。

然而，尽管单个或少量孔的制作可能较为简单，但当数量增加到数十万个时，难度会以几何级数增长。这也是许多TGV未能达到预期效果的原因之一。此外，如何测试每个通孔的良率或尺寸精度，也是我们需要考虑的问题。目前来看，除了玻璃基板的先进板厂在研发之外，进程比较快的是那些原本从事光电或玻璃相关工艺的工厂。

高质量金属填充

TGV 孔径较大，且多为通孔，电镀时间长、成本高；另一方面，与硅材料不同，由于玻璃表面平滑，与常用金属（如 Cu）的黏附性较差，容易造成玻璃衬底与金属层之间的分层现象，导致金属层卷曲甚至脱落等现象。

目前，金属填孔TGV主要有两种工艺：一是铜浆塞孔工艺，二是电镀工艺。这两种工艺在应用场景、材料成本和性能上存在差异。选择何种工艺取决于孔径、深宽比以及对电阻率和电导率的要求。值得一提的是，铜浆塞孔技术相较于电镀工艺具有独特优势，但可能在电导率方面存在较大劣势。

高密度布线

另一个制约玻璃基板技术应用的关键因素是高密度布线。尽管有不少公司能够较好地完成玻璃基板的填孔或TGV工艺，但真正挑战在于完成玻璃通孔的制备后，如何通过布线来实现电气连接，将其制成一个完整的玻璃基板或玻璃基interposer，并且在有实际应用场景时实现高密度布线。

传统的工艺方法可能包括半加成法，以及将现有的有机基板电路制作模式应用到玻璃基板上，即将有机的BT层转化为玻璃级别的层以提供支撑。其他部分则采用完整的有机基板电镀层制作方法，最后通过进一步的压合或其他工艺进行整合，这可能是板厂常用的一些手段。

但由于半加成工艺法在线宽小于5μm的时候会面临许多挑战，如在窄间距内刻蚀种子层容易对铜走线造成损伤且窄间距里的种子层残留易造成漏电。针对表面高密度布线也有不同工艺路线的探索。

至于先前提到的专注于玻璃机的LED场景的公司，它们可能会在玻璃机的TGV和填孔工序完成后，应用晶圆中道工艺，包括RDL工艺和CTT工艺来进行制作。海外还有一种新的技术，即多层RDL直接栅板转移技术。尽管这一技术目前尚未得到广泛应用，但也是未来的一个技术方向之一。

此外纳米压印，尤其是在晶圆制造方面，佳能已取得了一定的应用成果。未来，业界期望能够在玻璃基板电路的制作上找到更多应用场景。

键合技术

玻璃基板关键技术之四为键合技术，目前Chiplet的D2W及Flip Chip键合工艺主要分为三大类。

Reflow回流焊键合工艺：
回流焊炉可以批量焊接产品，并且随着技术水平的提升，bump pitch>80μm已不再是难题。但是缺点也很明显，热应力导致的翘曲极大，回流焊过程中高温和低温的波动可能会导致产品发生较大变形。尤其是当芯片面积接近基本面积时，整个焊盘也会变得极大。这也是为什么在做更大密度的先进封装芯片集成时，必须使用更大尺寸的封装，因为有机基板的翘曲极限无法满足PCB板的间隔要求。因此需要用玻璃基板来代替有机基板。