玻璃基板的關鍵技術看 TGV

矽基轉接板 2.5D 集成技術作為先進系統集成技術, 近年來得到了迅猛的發展. 但矽基轉接板存在兩個主要問題: ① 成本高, TSV 制作採用矽刻蝕工藝, 隨後矽通孔需要氧化絕緣層, 薄晶圓的拿持等技術; ② 電學性能差, 矽材料屬於半導體材料, 傳輸線在傳輸信號時, 信號與襯底材料有較強的電磁耦合效應, 襯底中產生渦流現象, 造成信號完整性較差 (插損, 串擾等).

TGV 技術將憑借其成本低, 高頻電學特性優良, 工藝流程簡單, 機械穩定性強等優勢對 TSV 起到一定的補充作用; 玻璃基材也將憑借其卓越的機械, 物理和光學特性, 運用於先進封裝. 隨著 TGV 等相關技術不斷成熟, 玻璃材料的脆性和導熱性得以改善, 玻璃基板將憑借其高尺寸穩定性, 各向同性的高透光性能和高絕緣性能, 成為引領基板發展的革新力量.

TGV 技術是 TSV 技術的延續, 主要區別在於引入了基板種類的變化. TSV是指通過在矽中介層打孔的方式實現實現垂直互聯, 而與之對應的 TGV 是指穿過玻璃基板的垂直電氣互連, 它們都通過在中介層打孔並進行電鍍填充來實現垂直方向的電氣互聯, 以此來降低信號傳輸的距離, 增加帶寬和實現封裝的小型化.

TGV 工藝流程: 成孔/填孔為兩大核心環節, 技術難度較高 TGV 成孔技術需兼顧成本, 速度及質量要求. 制約玻璃通孔技術發展的主要困難之一是 TGV 成孔技術, 其需要滿足高速, 高精度, 窄節距, 側壁光滑, 垂直度好以及低成本等一系列要求. 多年以來, 業界及學界許多研究工作都致力於研發低成本, 快速可規模化量產的成孔技術.

雷射誘導刻蝕優勢明顯且已獲應用, 有望在成孔技術中脫穎而出. 雷射光誘導刻蝕法通過脈沖雷射誘導玻璃產生連續的變性區, 變性玻璃在氫氟酸中刻蝕速率較未變性玻璃更快, 基於此特性可在 50-500μm 厚的玻璃上形成孔徑大於 20μm 的玻璃通孔. 該技術有成孔質量均勻, 成孔速率快, TGV 形貌可調等優點.

TGV 填孔技術: 金屬填充或電鍍薄層. 類似 TSV 的金屬填充方案可應用在 TGV 金屬填充中. 首先, 制作 TGV 盲孔; 其次, 通過物理氣相沈積 (PVD) 的方法在 TGV 盲孔內部沈積種子層; 再次, 自底向上電鍍, 實現TGV 的無縫填充; 最後, 通過臨時鍵合, 背面研磨, 化學機械拋光 (CMP) 露銅, 解鍵合, 形成 TGV 金屬填實轉接板.

除電鍍填實外, TGV 也可採用孔內電鍍薄層實現電學連接. 在電性能方面, 薄層電鍍與實心電鍍的插入損耗差別較小. 採用薄層電鍍方案的優勢是在保證電學性能的同時可以有效減小電鍍時間和電鍍成本. 通常電鍍填孔需要沈積金屬粘附層如鈦 (Ti), 鉻 (Cr) 等, 種子層為銅 (Cu), 然後進行電鍍.

德國 LPKF 是全球領先的雷射加工解決方案供應商, 其子公司  Vitrion 提供相關雷射光誘導刻蝕設備, 並率先使用雷射誘導刻蝕 ( Laser-Induced Deep Etching/LIDE) 工藝制備 TGV 通孔, 孔徑最小為 10μm, 深寬比達 10:1. 國內相關的設備有帆宣 (LIDE 解決方案), 鈦昇 (玻璃雷射改質 TGV 技術), 東捷 (FOPLP 雷射製程解決方案), 雷科 (與工研院合作) 等.

銅電鍍是 TGV 填孔的關鍵步驟, 因此電鍍設備在 TGV 的制備流程中也具有重要地位. TGV 電鍍與 TSV 電鍍類似, 都屬於前道電鍍設備, 目前全球前道電鍍設備基本被美國 Lam Research 壟斷, 全球領先的半導體設備供應商, 產品範圍涵蓋刻蝕設備, 薄膜沈積設備, 清洗設備, 電鍍設備等.目前在 TGV 領域公司已經推出了 Kallisto 和 Phoenix 兩款系統化的解決方案.

TGV 技術的實現需要精密的雷射加工設備來制造通孔, 因而雷射設備商也是該行業關鍵參與者. 德國樂普科公司擁有自己獨特的專利雷射技術 "雷射誘導深度蝕刻 (LIDE)",該技術已應用於搭載 TGV 工藝的 Vitrion 5000 系列設備, 顯著提高了玻璃通孔加工的效率和精度, 具有國際領先的雷射設備水平.

全球 TGV  技術市場預計將從 2024 年的 6,300 萬美元成長到 2030 年的 2.384 億美元, 預測期內 CAGR  為 24.7%. 全球 TGV 技術主要廠商包括康寧 (Corning), LPKF, Samtec, Kiso Micro Co.LTD, Tecnisco 等, 全球前五名廠商佔有率超過 70%. 亞太地區是最大的市場, 份額超過15%, 其次是歐洲和北美.