【导语】后摩尔时代，先进封装成为提升芯片算力的关键，其中玻璃基板封装优势显著，被视为提升芯片性能的关键材料技术，但目前仍处于技(jì)术(shù)验(yàn)证(zhèng)、预(yù)生(shēng)产(chǎn)阶(jiē)段(duàn)。其成功与否取决于TGV（玻璃通孔）工艺的成熟度，国内已有企业实现技术突破，然而玻璃材料本身物理特征，仍是制约玻璃基板、TGV技术普及的关键因素。

图为玻璃面板幅面（图源: RENA）

先进封装已成为后摩尔时代芯片算力提升的核心手段。随着晶体管不断缩小，芯片尺寸达到光罩极限，将大芯片分割成更小的Chiplet，通过2.5D、3D堆叠打破限制便成为破局关键。

2.5D、3D集成需要硅中介层、RDL技术、凸点、玻璃基板、TSV、TGV、混合键合技术等多项技术的配合。其中，玻璃基板封装由于其物理特性更优、封装尺寸比硅更大，电气性能更好、能够减少传输损耗，能够有效对抗翘曲问题、更适合大尺寸封装等优点，被认为是提升芯片性能的关键材料技术。

然而，这项受到业界颇多关注的技术，仍处于技术验证、预生产阶段，仍未实现批量生产。玻璃基板封装所需采用的钻孔工艺TGV（玻璃通孔）的技术成熟度则是玻璃基板技术成功与否的破局关键。

何为TGV？

为提升晶体管排布密度，优化芯片性能，垂直堆叠(dié)，3D封(fēng)装(zhuāng)需要在芯片与芯片间、晶圆与晶圆间制作垂直通孔，从而实现芯片之间的直接互连。由于芯片多是在硅基上制造，于是需要TSV（硅通孔）工艺的加持。

当前TSV工艺依据工艺顺序主要分为三种方案：

其一，先通孔，在CMOS工艺开始前制作通孔，填充材料（常用多晶硅）须耐受后续高温工艺。其二，中通孔，在CMOS器件钝化后、全局互连开始前、晶圆减薄前进行，可用铜作为填充材料。其三，后通孔，在晶圆减薄至最终厚度后进行，需将晶圆固定在载片或底部晶圆上再进行。

现阶段能够看到，不同的企业在自己的封装工艺中不同程度地采用了TSV技术。例如，台积电的CoWoS技术，通过硅中介层高密度互连芯片，采用TSV技术垂直导通转接板；英特尔的Foveros技术，水平面对面集成芯片，以TSV垂(chuí)直(zhí)互(hù)连(lián)实(shí)现高密度、低功耗；台积电的SoIC技术，以TSV贯穿芯片实现了无凸点键合，从而实现超高密度集成10nm以下的先进制程工艺芯片；三星的I-cube技术，基于TSV/BEOL技术，将硅中介层整合逻辑芯片与HBM，实现并行散热扩展性能。

图为TSV技术与TGV技术区别（图源: 广发证券发展研究中心）

而如果采用玻璃基板，则当前2.5D、3D封装中采用的硅中介层、FC-BGA载板都可以由玻璃基板替代。相应地，原先工艺中所采用的钻孔工艺也要相应地由TSV工艺转化为TGV（玻璃通孔）工艺。

TGV工艺大致包括如下流程：首先，激光钻孔会在玻璃中产生局部热应力，从而产生表面粗糙度；其次，湿法刻蚀会会扩大孔并形成TGV沟槽；随后，金属籽晶层沉积并电镀。

玻璃材料物理难题待解

在TGV领域，国内已有企业实现了技术突破。例如，沃格(gé)光(guāng)电(diàn)在(zài)高(gāo)密(mì)度(dù)互(hù)连(lián)方(fāng)面(miàn)实(shí)现(xiàn)技(jì)术(shù)突(tū)破(pò)，通(tōng)过(guò)材(cái)料(liào)改(gǎi)性(xìng)及(jí)工(gōng)艺(yì)优(yōu)化(huà)，攻(gōng)克(kè)了(le)铜(tóng)附(fù)着(zhe)力(lì)不(bù)足(zú)、微(wēi)裂(liè)纹(wén)控(kòng)制(zhì)及(jí)孔(kǒng)内(nèi)填(tián)充(chōng)空(kōng)洞(dòng)等(děng)难题，实现了3um孔径、150:1深径比、10 mm铜厚的行业领先水平，支持4层以上玻璃基板堆叠，适配AI芯片3D封装需求(qiú)。云天半导体在高频集成方面实现创新，其诱导刻蚀技术，在180wm玻璃基板空腔嵌)芯片通过铜RDL布线实现77 GHz汽车雷达天线集成(AiP)，2024年优化高频性能扩展至5G毫米波通信模块，提(tí)升(shēng)了(le)信(xìn)号(hào)传输效率。

但玻璃材料本身的物理特征，仍然是制约玻璃基板、TGV技术在芯片封装领域普及的关键。

西北工业大学先进电子封装材料及结构研究中心教授龙旭表示，玻璃的力学性能决定了TGV封装的可靠性与应用前景。

围绕这一话题，龙旭从五个层面阐释了玻璃的力学性能。

其一，在玻璃本征特性引起的力学问题层面，由于玻璃本身属(shǔ)于(yú)脆(cuì)性(xìng)材(cái)料(liào)且(qiě)抗(kàng)拉(lā)强(qiáng)度(dù)较(jiào)低(dī)在(zài)温(wēn)度(dù)剧(jù)烈(liè)变(biàn)化(huà)的(de)场(chǎng)景(jǐng)(如(rú)回(huí)流(liú)焊(hàn)或(huò)冷(lěng)热(rè)冲(chōng)击(jī)测(cè)试(shì))中(zhōng)会(huì)引(yǐn)发(fā)较(jiào)大(dà)的(de)热(rè)机(jī)械(xiè)应(yīng)力，这可能导致玻璃-铜界面出玻璃和金属间的热膨胀差异(CTE mismatch现分层或微裂纹问题，并导致局部乃至整体失效。

其二，从电迁移引起的力学问题层面， TGV互连结构在高电流密度下易发生电迁移(EM)失效，由干电流集中效应，主要集中于RDL-TGV交界及异质界面处，受电-热-力耦合作用加速，成为系统可靠性的关键弱环节随着电迁移时间的增加，空洞等缺陷形式可演变成裂纹，并可能扩展。

其三，在热力荷载引起的力学问题层面，玻璃基体在热载荷下会出现裂纹。TGV直(zhí)径较(jiào)大(dà)，易(yì)产生界面应力集中，从而显著提高裂纹敏感性；升温速率越高，径向裂纹形成概率呈指数增加，相反，低速升温有助于应力松弛并降低裂纹风险。另外，在铜互连结构与玻璃分层，材料差异导致应力失配，玻璃与铜在弹性模量和热膨胀系数上差异显著，热载荷下产生不同变形，引发界面应力集中。玻璃表面较平滑，与铜黏附性差，易在热循环中发生界面分层，严重时导致基板开裂和电路失效。

其四，在TGV-RDL（重布线层）的互连结构引起的力学和(hé)电(diàn)学(xué)问(wèn)题(tí)层(céng)面(miàn)，TGV 在(zài)低(dī)电(diàn)流(liú)密(mì)度(dù)下(xià)具(jù)有(yǒu)较(jiào)高(gāo)的(de)电(diàn)学(xué)可(kě)靠(kào)性(xìng)，但(dàn)在(zài)大(dà)电(diàn)流(liú)密(mì)度(dù)和(hé)高(gāo)频应用中，容易妥到工艺缺陷和热载荷影响表现出传输性能下降。侧壁粗糙度和通孔锥度对信号完整性影响显著，粗糙度增大和锥度过大均会导致损耗、延迟及功耗增加，尤其在高频段表现突出。虽然热循环作用下TGV电阻基本保持稳定，但界面裂纹和分层会引入额外的电阻与电容效应，导致信号损耗加剧及谐振频率漂移而影响整体器件的电学性能。

其五，在制造加工方法引起的力学问题层面，由于玻璃的脆性特性，在TGV制造过程中常见的加工工艺(如激光钻孔、腐蚀、砂喷和微加工等)容易引入缺陷，主要包括微裂纹、孔周应力集中和表面粗糙度。加工工艺可能会带来芯片互连失效、界面脱粘、导体填充层断裂等潜在后果。