作為封裝基板，玻璃的優(yōu)勢(shì)非常明顯。它非常平坦，熱膨脹比有機(jī)基板更低，從而簡(jiǎn)化了光刻工藝。

這僅僅是個(gè)開(kāi)始。多芯片封裝日益嚴(yán)重的翹曲問(wèn)題已得到顯著改善。芯片可以混合鍵合到玻璃上的重分布層焊盤上。而且，相對(duì)于有機(jī)芯基板，玻璃基板為高頻高速器件提供了極低的傳輸損耗。

更糟糕的是，硅中介層和有機(jī)芯基板也正在失去發(fā)展動(dòng)力。玻璃比硅中介層便宜得多，而且翹曲度降低了 50%，位置精度提高了 35%。這使得它更容易實(shí)現(xiàn)線寬和間距小于 2 微米的重分布層（RDL），而有機(jī)芯基板則難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外，玻璃在通信波長(zhǎng)下的透明度使得波導(dǎo)能夠嵌入堆疊玻璃結(jié)構(gòu)中，用于 6G 應(yīng)用。超?。ㄐ∮?100 微米）玻璃很容易制成 700 x 700 毫米的大尺寸。

玻璃（通常是硼硅酸鹽玻璃或石英玻璃）的用途也十分靈活。它可以用作載體、嵌入元件的核心基板、3D 堆疊材料，或用于傳感器和 MEMS 的密封腔體。玻璃比有機(jī)物具有更好的導(dǎo)電性，因此能夠更有效地將熱量從有源器件中傳導(dǎo)出去。其熱膨脹系數(shù) (CTE) 可在 3 至 10 ppm/°C 之間調(diào)整，使其與低端硅或高端 PCB 更加兼容。

玻璃在高頻應(yīng)用中也表現(xiàn)出色。由于其介電常數(shù)遠(yuǎn)低于硅（2.8 vs. 12），且正切損耗較低，傳輸損耗比硅低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而大大提高了信號(hào)完整性。

多年來(lái)，玻璃作為下一代封裝基板材料，因其諸多優(yōu)勢(shì)而備受業(yè)界關(guān)注。其關(guān)鍵特性之一是能夠?qū)崿F(xiàn)高互連密度和低于 2μm 的 RDL 布線?！鸽S著過(guò)去兩年人工智能計(jì)算的蓬勃發(fā)展，降低布線密度以提高 SiP 內(nèi)部通信速度的需求已成為 IC 封裝研發(fā)的焦點(diǎn)，」Disco Hi-Tec America 技術(shù)經(jīng)理 Frank Wei 表示。

然而，并非一切都完美無(wú)缺。玻璃切割（單片化）很難避免微裂紋，而重復(fù)制造數(shù)千個(gè)細(xì)間距玻璃通孔 (TGV) 的挑戰(zhàn)也阻礙了玻璃充分發(fā)揮其潛力。英特爾在過(guò)去十年中對(duì)玻璃基板進(jìn)行了巨額投資，并于本月初確認(rèn)仍在推進(jìn)玻璃項(xiàng)目。盡管存在制造障礙，但高性能計(jì)算/人工智能芯片質(zhì)量提升的前景正在推動(dòng)其快速發(fā)展，正如 2025 年電子元件與技術(shù)大會(huì) (ECTC) 和其他近期會(huì)議所證實(shí)的那樣，研究人員在以下領(lǐng)域取得了進(jìn)展：

• 堆疊玻璃，數(shù)據(jù)速率>100 GHz；

• 通過(guò)激光改性和 HF 蝕刻進(jìn)行 TGV 蝕刻；

• 直接激光蝕刻，無(wú)需后續(xù)蝕刻；

• 制造 6μm、>15 縱橫比的 TGV；

• 預(yù)測(cè)產(chǎn)量模型，用于優(yōu)化覆蓋層，從而加快 FOPLP 產(chǎn)量提升；

• 在分離界面處逐漸減小累積層以防止玻璃破損。

堆疊玻璃在高頻應(yīng)用中的應(yīng)用

玻璃因其極低的損耗和高頻傳輸特性，是 6G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，該網(wǎng)絡(luò)必須支持>100 GHz 的數(shù)據(jù)速率。堆疊玻璃中的異質(zhì)集成可以將高頻前端芯片與低損耗互連集成到大規(guī)模天線陣列中。

佐治亞理工學(xué)院博士生表示：「通過(guò)將收發(fā)器模塊分解為單個(gè)功能芯片，例如功率放大器和變頻器，這些芯片可以嵌入堆疊基板核心并垂直互連。」在玻璃基板上堆疊 2 英寸（50 x 50 毫米）芯片的工藝亮點(diǎn)包括菊花鏈結(jié)構(gòu)的集成、玻璃層之間的良好對(duì)準(zhǔn)度（3 微米）、玻璃穿層激光鉆孔和銅填充。

研究人員選擇了一種 ABF（味之素增材薄膜，Dk = 3.3，Df = 0.0044），既可用作低 k 電介質(zhì)，又可用作玻璃粘合劑，并在兩層上構(gòu)建基于 RDL 的共面波導(dǎo)（見(jiàn)圖 1）。寬帶電氣性能高達(dá) 220 GHz，損耗僅為 0.3 dB。

圖 1：堆疊玻璃結(jié)構(gòu)采用未固化的 ABF 電介質(zhì)作為粘合劑，采用激光鉆孔，并采用銅化學(xué)鍍種子/電鍍填充。來(lái)源：ECTC

100 μm 厚的玻璃面板采用倒裝芯片鍵合技術(shù)堆疊在未固化的 ABF 上，從而最大限度地減少面板在加熱時(shí)的位移。ABF 封裝芯片，然后將另一層未固化的 ABF (15 μm) 層壓在頂層玻璃上并固化。采用激光加工形成用于信號(hào)傳輸和散熱的玻璃通孔，然后使用粘合促進(jìn)劑、化學(xué)鍍銅和電解鍍層填充高達(dá) 130 μm、間距達(dá) 100 μm 的 V 形通孔。該方法展現(xiàn)出作為 6G 應(yīng)用的 3D 堆疊方法的潛力。

玻璃通孔 (TGV) 工藝

激光在 TGV 的制造過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。LPKF Laser & Electronics 戰(zhàn)略產(chǎn)品經(jīng)理 Richard Noack 最近詳細(xì)介紹了如何改進(jìn)激光誘導(dǎo)深蝕刻 (LIDE) 技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。LIDE 首先對(duì)硼硅酸鹽玻璃進(jìn)行激光改性，改變其結(jié)構(gòu)，使其易于進(jìn)行各向異性蝕刻。

激光改性工藝使用單個(gè)激光脈沖破壞玻璃的成分。「初始改性的寬度不到 1 微米，可以描述為『氣泡鏈』，」Noack 說(shuō)道。「這種溫和改性的蝕刻速率比材料其他部分高出 100 倍?！?/span>

接下來(lái)，使用氫氟酸 (HF) 進(jìn)行濕法蝕刻，形成所需的形狀（見(jiàn)圖 2）。LIDE 已證明能夠蝕刻出小至 3μm、間距為 5μm 的玻璃通孔。

為了促進(jìn)濕法面板加工，Yield Engineering Systems (YES) 開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)化多腔體浸浴、沖洗和干燥設(shè)備，可處理多達(dá) 12 塊尺寸為 510 x 515 毫米的玻璃面板。該公司高級(jí)總監(jiān) Venugopal Govindarajulu 介紹了一種濕法蝕刻方法，用于制造專為大批量生產(chǎn)設(shè)計(jì)的高 AR 玻璃通孔。

該設(shè)備可使用市售玻璃材料在 130°C 溫度下蝕刻 25-100μm TGV，蝕刻速率高達(dá) 80μm/小時(shí)。激光工藝可根據(jù)所需形狀進(jìn)行調(diào)整，例如圓柱形、沙漏形、直通孔或腔體。

YES 團(tuán)隊(duì)確定蝕刻速率和 TGV 曲線是 HF 浴化學(xué)性質(zhì)、酸濃度和蝕刻溫度的函數(shù)，可以進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn) 5:1 的高選擇性蝕刻（蝕刻速率修改區(qū)域/蝕刻速率未處理玻璃）。

沙漏狀形狀被認(rèn)為是利用銅 PVD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)空洞填充的理想選擇。濕法蝕刻槽的縱橫比（深度/直徑）范圍為 4:1 至 20:1（200μm 厚的玻璃）。「在大批量生產(chǎn)環(huán)境中，關(guān)鍵考慮因素包括：優(yōu)化化學(xué)工藝以實(shí)現(xiàn)更高的蝕刻速率；優(yōu)化流體動(dòng)力學(xué)以實(shí)現(xiàn)均勻蝕刻；以及良好的溫度和流量控制以實(shí)現(xiàn)工藝能力，」Govindarajulu 說(shuō)道。

圖 2：沙漏形輪廓最適合采用銅 PVD 層，然后進(jìn)行電解鍍覆。來(lái)源：ECTC

盡管 LIDE 被認(rèn)為是玻璃通孔的領(lǐng)先工藝，但各公司仍在探索更環(huán)保、不使用有毒氫氟酸（HF）的解決方案。東京大學(xué)的 Toshi Otsu 及其同事在 100μm 厚的旭硝子 ENA1 材料上成功加工出 6μm 寬、25μm 間距的孔。該方法使用具有不同脈沖能量和發(fā)射次數(shù)的準(zhǔn)直深紫外激光束（257nm）?！甘褂贸堂}沖激光可以最大限度地減少對(duì)周圍材料的熱影響，從而實(shí)現(xiàn)精確、清潔的加工，」作者說(shuō)道。

圖 3：孔深度隨脈沖能量增加而增加，但達(dá)到極限。來(lái)源：ECTC

SEM 橫截面顯示，高深寬比 TGV 的玻璃頂部孔徑大于底部孔徑。深度最大可達(dá) 260μm，深寬比在 20:1 至 25:1 之間。（見(jiàn)圖 3）。未來(lái)的研究將探究改變激光器的數(shù)值孔徑如何影響孔徑。

研發(fā)助力玻璃芯基板產(chǎn)量提升

每當(dāng)業(yè)界考慮玻璃等新材料時(shí)，仿真都能提供材料之間相互作用的洞察。它還能幫助比較工藝，例如哪種附著力促進(jìn)劑與玻璃的界面效果最佳，或者 PVD 銅或化學(xué)鍍銅哪種能形成更好的種子層。

新思科技首席解決方案工程師 Anders Blom 表示：「當(dāng)轉(zhuǎn)向玻璃等新型基板時(shí)，原子建模將成為預(yù)測(cè)在玻璃基板上放置多層薄膜時(shí)形成的界面行為的關(guān)鍵工具。這為在開(kāi)始制造之前就確定重點(diǎn)方向以及在加工過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)提供了方向。 」

由于玻璃是非晶態(tài)材料，因此必須使用數(shù)十個(gè)原子進(jìn)行建模，而像晶體硅這樣的材料只需兩個(gè)原子即可開(kāi)始建模。「GPU 加速和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的最新進(jìn)展使我們能夠結(jié)合使用快速力場(chǎng)和精確的第一性原理建模來(lái)構(gòu)建和運(yùn)行此類復(fù)雜系統(tǒng)的真實(shí)模型，」Blom 指出。

另一個(gè)有助于推進(jìn)面板級(jí)研發(fā)和良率提升的工具是預(yù)測(cè)良率建模，尤其適用于采用 HBM 的 AI 處理器。OntoInnovation 應(yīng)用開(kāi)發(fā)經(jīng)理 John Chang 在 ECTC 上詳細(xì)介紹了一個(gè)預(yù)測(cè)良率模型，并特別關(guān)注了疊層缺陷?！高@些組件價(jià)格昂貴，」他說(shuō)道，「因此，在每一步都最大限度地提高良率，并盡早發(fā)現(xiàn)缺陷以最大程度地減少損失至關(guān)重要?！?/span>

盡管玻璃芯基板相對(duì)于有機(jī)芯基板顯著減少了圖案變形和翹曲，但它們的出現(xiàn)仍然會(huì)影響扇出型面板級(jí)工藝 (FOPLP) 的良率。Onto Innovation 方法使用離線量測(cè)工具測(cè)量芯片偏移和變形，然后將其與定制的工藝參數(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，快速減少 510 x 515 毫米面板上的套刻缺陷?！竿ㄟ^(guò)利用預(yù)測(cè)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，良率預(yù)測(cè)技術(shù)不僅可以識(shí)別潛在的在線工藝缺陷，還可以推薦可行的解決方案，以便在早期階段優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更快的產(chǎn)能提升，」張先生說(shuō)道。

面板級(jí)套刻誤差通常在整個(gè)面板上呈現(xiàn)非線性模式，有四種不同的校正方法：全局校正、基于區(qū)域（例如，每塊面板 4 個(gè)套刻誤差）、基于芯片的校正和逐點(diǎn)校正?；谛酒男Ｕ蓪?shí)現(xiàn)最高的良率，但校正時(shí)間會(huì)降低產(chǎn)量。而對(duì)于每塊面板，基于點(diǎn)的校正可在每次曝光中曝光多個(gè)具有相似偏移區(qū)域的芯片，從而在保持高良率的同時(shí)減少對(duì)產(chǎn)量的影響。然而，僅靠這種優(yōu)化方法，良率往往不盡如人意。

圖 4：良率預(yù)測(cè)工作流程能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和分析影響套刻良率的芯片偏移和圖案變形。來(lái)源：ECTC

為了加速套刻改進(jìn)過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)建立了一種方法，模擬最終良率隨不同工藝參數(shù)條件的變化?！竿ㄟ^(guò)利用這項(xiàng)技術(shù)（圖 4 中的完整流程），用戶可以通過(guò)模擬確定最佳參數(shù)，并通過(guò)運(yùn)行合格基板來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，」Chang 說(shuō)道。

此外，圖表和直方圖有助于在生產(chǎn) FOPLP 環(huán)境中及早發(fā)現(xiàn)疊對(duì)問(wèn)題，從而加速認(rèn)證過(guò)程并簡(jiǎn)化工藝優(yōu)化。「隨著未來(lái)幾年 FOPLP 預(yù)計(jì)將大幅增長(zhǎng)，我們相信良率預(yù)測(cè)技術(shù)將為實(shí)現(xiàn) FOPLP 光刻技術(shù)的快速生產(chǎn)和高良率提供清晰的路徑。」Chang 說(shuō)道。

眾所周知，玻璃易碎。在搬運(yùn)和其他操作過(guò)程中，尤其是切割過(guò)程中，微裂紋是一個(gè)主要問(wèn)題。

玻璃芯基板在切割過(guò)程中出現(xiàn)的故障被稱為「SeWaRe」，源于日語(yǔ)，意為「背面開(kāi)裂」。Disco 公司的 Frank Wei 和 Andrew Frederick 開(kāi)展了一項(xiàng)研究，探究了切割過(guò)程中基板開(kāi)裂的原因。研究使用了不同厚度（125 毫米、200 毫米和 500 毫米）的裸硼硅酸鹽玻璃，以及在玻璃兩側(cè)使用兩種類型的層壓積層，最終找到了已知的最佳損傷最小化方法。

Disco 的研究表明，與基于激光的單片方法（激光隱形切割和激光增強(qiáng)燒蝕填充）相比，雙刀片切割方法產(chǎn)生的邊緣碎裂更多，但邊緣更光滑。單片芯片尺寸分別為 5 x 5 毫米和 15 x 15 毫米。重要的是，層壓層提高了芯片強(qiáng)度，并且采用更高模量的電介質(zhì)可以獲得最佳的芯片強(qiáng)度。

有限元建模 (FEM) 表明，邊緣崩裂是由最尖銳的微觀缺陷引起的，這些缺陷在切割過(guò)程中應(yīng)力最集中。Disco 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)疊層延伸到分割區(qū)域的邊緣時(shí)，就會(huì)出現(xiàn) SeWarRe 缺陷。這些缺陷可以通過(guò)在分割邊緣部分移除疊層來(lái)消除，這被稱為回拉法。

圖 5：當(dāng)在聚合物構(gòu)建層（正面和背面）上使用回拉法時(shí)，可以消除切割過(guò)程中的碎裂現(xiàn)象。來(lái)源：ECTC

雖然玻璃面板的主流切割工藝是在基板兩側(cè)層壓積層之后進(jìn)行的，但索尼半導(dǎo)體解決方案公司的 Shun Mitarai 及其同事卻探索了一種新穎的方法，即將切割好的基板嵌入有機(jī)樹(shù)脂中，以提供邊緣保護(hù)。他們將切割好的玻璃芯嵌入工藝 (SGEP) 與業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了比較?！?jìng)鹘y(tǒng)的玻璃芯基板制造工藝 (CP) 在保持大型玻璃面板的同時(shí)，操作簡(jiǎn)單，但需要大量投資用于雙面互連的形成，并且需要進(jìn)行大量的設(shè)備改造，才能在不損壞玻璃的情況下進(jìn)行處理。」

傳統(tǒng)工藝首先進(jìn)行 TGV 蝕刻和金屬化，然后進(jìn)行核心互連工藝。接著，對(duì)積層進(jìn)行層壓，再進(jìn)行單片化。最后，在基板的每個(gè)邊緣涂覆有機(jī)樹(shù)脂。

相反，SGEP 在核心互連形成后對(duì)基板進(jìn)行切割。這一新穎的步驟包括將玻璃芯段嵌入覆銅層壓板框架中。然后層壓積層，最后切割樹(shù)脂框架。

Mitarai 指出，這種針對(duì)單個(gè)玻璃邊緣的保護(hù)工藝非常復(fù)雜。雙面增層可以有效平衡單面加工過(guò)程中因熱膨脹系數(shù) (CTE) 引起的翹曲。而單片玻璃芯嵌入工藝則能夠?qū)崿F(xiàn)單面加工，并提供卓越的基板保護(hù)。該方法的下一步工作將包括提高工藝與嚴(yán)格設(shè)計(jì)規(guī)則的兼容性，并進(jìn)一步提高良率。

玻璃芯上的混合鍵合

玻璃的平整度和定位精度創(chuàng)造了新的集成和工藝可能性。「與有機(jī)芯基板不同，玻璃芯基板足夠平整，可以進(jìn)行銅-銅混合鍵合，」欣興電子高級(jí)特別項(xiàng)目助理 John Lau 說(shuō)道。他指出，玻璃并非有機(jī)芯基板的替代品。相反，它對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行了補(bǔ)充，因?yàn)榭梢允褂枚趸桦娊橘|(zhì)和雙鑲嵌工藝來(lái)制造更小的 RDL 線路和間距。

Unimicron 團(tuán)隊(duì)演示了器件與有機(jī)芯和玻璃芯基板的倒裝芯片鍵合。他們發(fā)現(xiàn)，倒裝芯片鍵合的混合鍵合在玻璃上的翹曲度略大于倒裝芯片鍵合的微凸塊，但兩者均在可接受范圍內(nèi)。他們將微凸塊較低的翹曲度歸因于其作為減震器的性能。作者建議，當(dāng)鍵合到熱膨脹系數(shù) (CTE) 在 18 ppm/°C 范圍內(nèi)的 PCB 時(shí)，應(yīng)使用熱膨脹系數(shù) (CTE) 較高的玻璃 (10 ppm/°C)。

結(jié)論

玻璃生態(tài)系統(tǒng)中的企業(yè)正在為多芯片先進(jìn)封裝中芯片和基板尺寸的持續(xù)增長(zhǎng)做好準(zhǔn)備，并取得了顯著進(jìn)展。激光改性后進(jìn)行高頻蝕刻是形成不同形狀和尺寸的玻璃通孔的主要方法，但如果該工藝能夠達(dá)到后續(xù)銅填充所需的通孔形狀，則使用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行直接激光蝕刻是更具環(huán)保性的選擇。

如果在刀片或激光切割之前能夠持續(xù)進(jìn)行聚合物回拉，則可能可以避免玻璃在切割過(guò)程中出現(xiàn)微裂紋（SeWaRe）?？磥?lái)，改變切割方法可以減少微裂紋，但無(wú)法消除。