玻璃封裝大熱，TGV還有多少難題待解？

    先進(jìn)封裝已成為后摩爾時(shí)代芯片算力提升的核心手段。隨著晶體管不斷縮小，芯片尺寸達(dá)到光罩極限，將大芯片分割成更小的Chiplet，通過(guò)2.5D、3D堆疊打破制程限制便成為破局關(guān)鍵。

    2.5D、3D集成需要硅中介層、RDL技術(shù)、凸點(diǎn)、玻璃基板、TSV、TGV、混合鍵合技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的配合。其中，玻璃基板封裝由于其物理特性更優(yōu)、能實(shí)現(xiàn)比硅更大的封裝尺寸，電氣性能更好、能夠減少傳輸損耗，能夠有效對(duì)抗翹曲問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是提升芯片性能的關(guān)鍵材料技術(shù)。

    然而，這項(xiàng)受到業(yè)界頗多關(guān)注的技術(shù)，仍處于技術(shù)驗(yàn)證、預(yù)生產(chǎn)階段，仍未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。鉆孔工藝TGV（玻璃通孔）的技術(shù)成熟度尤其是玻璃基板技術(shù)的破局關(guān)鍵。

    何為TGV？

    為提升晶體管排布密度、優(yōu)化芯片性能，垂直堆疊、3D封裝需要在芯片與芯片間、晶圓與晶圓間制作垂直通孔，從而實(shí)現(xiàn)芯片之間的直接互連。由于芯片多是在硅基上制造，于是需要TSV（硅通孔）工藝的加持。

    當(dāng)前TSV工藝依據(jù)工藝順序主要分為三種方案：

    其一，先通孔，在CMOS工藝開(kāi)始前制作通孔，填充材料（常用多晶硅）須耐受后續(xù)高溫工藝。其二，中通孔，在CMOS器件鈍化后、全局互連開(kāi)始前、晶圓減薄前進(jìn)行，可用銅作為填充材料。其三，后通孔，在晶圓減薄至最終厚度后進(jìn)行，需將晶圓固定在載片或底部晶圓上再進(jìn)行。

    現(xiàn)階段能夠看到，不同的企業(yè)在自己的封裝工藝中不同程度地采用了TSV技術(shù)。例如，臺(tái)積電的CoWoS技術(shù)，通過(guò)硅中介層高密度互連芯片，采用TSV技術(shù)垂直導(dǎo)通轉(zhuǎn)接板；英特爾的Foveros技術(shù)，水平面對(duì)面集成芯片，以TSV垂直互連實(shí)現(xiàn)高密度、低功耗；臺(tái)積電的SoIC技術(shù)，以TSV貫穿芯片實(shí)現(xiàn)了無(wú)凸點(diǎn)鍵合，從而實(shí)現(xiàn)超高密度集成10nm以下的先進(jìn)制程工藝芯片；三星的I-cube技術(shù)，基于TSV/BEOL技術(shù)，在硅中介層整合邏輯芯片與HBM，實(shí)現(xiàn)并行散熱擴(kuò)展性能。

圖為TSV技術(shù)與TGV技術(shù)區(qū)別（圖源: 廣發(fā)證券發(fā)展研究中心）

    而如果采用玻璃基板，則當(dāng)前2.5D、3D封裝中采用的硅中介層、FC-BGA載板都可以由玻璃基板替代。相應(yīng)的，原先工藝中所采用的鉆孔工藝也要由TSV工藝轉(zhuǎn)化為TGV（玻璃通孔）工藝。

    TGV工藝大致包括如下流程：首先，激光鉆孔會(huì)在玻璃中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，從而產(chǎn)生表面粗糙度；其次，濕法刻蝕會(huì)會(huì)擴(kuò)大孔并形成TGV溝槽；隨后，金屬籽晶層沉積并電鍍。

    玻璃材料物理難題待解

    在TGV領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)已有企業(yè)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。例如，沃格光電在高密度互連方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，通過(guò)材料改性及工藝優(yōu)化，攻克了銅附著力不足、微裂紋控制及孔內(nèi)填充空洞等難題，實(shí)現(xiàn)了3μm孔徑、150:1深徑比、10mm銅厚的行業(yè)領(lǐng)先水平，支持4層以上玻璃基板堆疊，適配AI芯片3D封裝需求。云天半導(dǎo)體在高頻集成方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，其誘導(dǎo)刻蝕技術(shù)在180μm玻璃基板空腔嵌入芯片，通過(guò)銅RDL布線實(shí)現(xiàn)77 GHz汽車?yán)走_(dá)天線集成(AiP)，2024年優(yōu)化高頻性能擴(kuò)展至5G毫米波通信模塊，提升了信號(hào)傳輸效率。

    但玻璃材料本身的物理特征，仍然是制約玻璃基板、TGV技術(shù)在芯片封裝領(lǐng)域普及的關(guān)鍵。

    西北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)電子封裝材料及結(jié)構(gòu)研究中心教授龍旭表示，玻璃的力學(xué)性能決定了TGV封裝的可靠性與應(yīng)用前景。

    圍繞這一話題，龍旭從五個(gè)層面闡釋了玻璃的力學(xué)性能。

    其一，在玻璃本征特性引起的力學(xué)問(wèn)題層面，由于玻璃本身屬于脆性材料且抗拉強(qiáng)度較低，在溫度劇烈變化的場(chǎng)景(如回流焊或冷熱沖擊測(cè)試)中會(huì)引發(fā)較大的熱機(jī)械應(yīng)力，這可能導(dǎo)致玻璃—銅界面出現(xiàn)由玻璃和金屬間的熱膨脹差異(CTE mismatch）導(dǎo)致的分層或微裂紋問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致局部乃至整體失效。

    其二，從電遷移引起的力學(xué)問(wèn)題層面，TGV互連結(jié)構(gòu)在高電流密度下易發(fā)生電遷移(EM)失效，由于電流集中效應(yīng)主要集中于RDL-TGV交界及異質(zhì)界面處，受電—熱—力耦合作用加速，成為系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)。隨著電遷移時(shí)間的增加，空洞等缺陷形式可演變成裂紋并擴(kuò)展。

    其三，在熱力荷載引起的力學(xué)問(wèn)題層面，玻璃基體在熱載荷下會(huì)出現(xiàn)裂紋。TGV直徑較大，易產(chǎn)生界面應(yīng)力集中，從而顯著提高裂紋敏感性；升溫速率越高，徑向裂紋形成概率呈指數(shù)增加。相反，低速升溫有助于應(yīng)力松弛并降低裂紋風(fēng)險(xiǎn)。另外，在銅互連結(jié)構(gòu)與玻璃分層所產(chǎn)生的材料差異導(dǎo)致應(yīng)力失配，玻璃與銅在彈性模量和熱膨脹系數(shù)上差異顯著，熱載荷下產(chǎn)生不同變形，引發(fā)界面應(yīng)力集中。玻璃表面較平滑，與銅黏附性差，易在熱循環(huán)中發(fā)生界面分層，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致基板開(kāi)裂和電路失效。

    其四，在TGV-RDL（重布線層）的互連結(jié)構(gòu)引起的力學(xué)和電學(xué)問(wèn)題層面，TGV 在低電流密度下具有較高的電學(xué)可靠性，但在大電流密度和高頻應(yīng)用中，容易妥到工藝缺陷和熱載荷影響表現(xiàn)出傳輸性能下降。側(cè)壁粗糙度和通孔錐度對(duì)信號(hào)完整性影響顯著，粗糙度增大或錐度過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗、延遲及功耗增加，尤其在高頻段表現(xiàn)突出。雖然熱循環(huán)作用下TGV電阻基本保持穩(wěn)定，但界面裂紋和分層會(huì)引入額外的電阻與電容效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)損耗加劇及諧振頻率漂移而影響整體器件的電學(xué)性能。

    其五，在制造加工方法引起的力學(xué)問(wèn)題層面，由于玻璃的脆性特性，在TGV制造過(guò)程中常見(jiàn)的加工工藝(如激光鉆孔、腐蝕、砂噴和微加工等)容易引入缺陷，主要包括微裂紋、孔周應(yīng)力集中和表面粗糙度。加工工藝可能會(huì)帶來(lái)芯片互連失效、界面脫粘、導(dǎo)體填充層斷裂等潛在后果。