作為封裝基板，玻璃的好處是巨大的。它非常平坦，熱膨脹率低于有機基板，從而簡化了光刻。

這只是初學者。翹曲是多芯片封裝中日益嚴重的問題，但已大大減少。芯片可以混合粘合到玻璃上的再分布層焊盤上。相對于有機芯基板，玻璃為高頻和高速器件提供了非常低的傳輸損耗。

如果這還不夠，硅中介層和有機核心基板正在耗盡動力。玻璃比硅中介層便宜得多，翹曲減少 50%，定位精度提高 35%。這使得提供具有 <2μm 線和空間的再分布層 （RDL） 變得更加容易，而有機核心基板很難實現(xiàn)這一點。此外，玻璃在通信波長下的透明度使得波導能夠嵌入到堆疊玻璃結(jié)構(gòu)中，用于 6G 應用。超薄 （<100μm） 玻璃很容易制造成 700 x 700 毫米的更大尺寸。

玻璃——通常是硼硅酸鹽或石英玻璃——其用途也很靈活。它可以用作載體、嵌入組件的核心基板、3D 堆疊材料或傳感器和 MEMS 的密封腔體。玻璃是比有機物更好的導體，因此它可以更有效地將熱量從有源設備中傳遞出去。其熱膨脹系數(shù) （CTE） 可在 3 至 10 ppm/°C 之間定制，使其與低端硅或高端 PCB 更兼容。

玻璃在高頻應用中也大放異彩。介電常數(shù)遠低于硅（2.8 vs. 12）且切損耗低，傳輸損耗比硅低幾個數(shù)量級，從而大大提高了信號完整性。

多年來，玻璃因其眾多優(yōu)點而作為下一代封裝基板材料而受到業(yè)界關(guān)注。一個關(guān)鍵特性是它能夠?qū)崿F(xiàn)高互連密度和低于 2μm 的 RDL 功能。Disco Hi-Tec America 技術(shù)經(jīng)理 Frank Wei 表示：“在過去兩年 AI 計算的激增中，壓縮布線密度以提高 SiP 內(nèi)通信速度的需求已成為 IC 封裝研發(fā)的焦點。

不過，這并不都是完美的。如果沒有微裂紋，玻璃切割（單裂）就很難執(zhí)行，而且大規(guī)模重復制造數(shù)千個細間距玻璃通孔 （TGV） 的挑戰(zhàn)阻礙了玻璃充分發(fā)揮其潛力。英特爾在過去 10 年中在玻璃基板上投入了大量資金，并于本月早些時候確認仍在推進玻璃項目。盡管存在制造障礙，但提高 HPC/AI 芯片質(zhì)量的承諾正在推動快速發(fā)展，正如 2025 年電子元件和技術(shù)大會 （ECTC） 和最近的其他會議所證明的那樣，研究人員在這些會議上展示了以下方面的進展：

• 堆疊玻璃，數(shù)據(jù)速率為 >100 GHz;

• 通過激光改性和HF蝕刻進行TGV蝕刻;

• 直接激光蝕刻，無需后續(xù)蝕刻;

• 制造 6μm、>15 縱橫比的 TGV;

• 預測產(chǎn)量建模，以優(yōu)化疊加，以加快 FOPLP 產(chǎn)量斜坡，以及

• 在單分界面處逐漸變細堆積層，以防止玻璃破碎。

用于高頻應用
的堆疊玻璃玻璃是 6G 無線通信網(wǎng)絡的理想選擇，由于其高頻傳輸和極低的損耗，該網(wǎng)絡必須支持 >100 GHz 數(shù)據(jù)速率。堆疊玻璃中的異構(gòu)集成可以在大規(guī)模天線陣列中集成具有低損耗互連的高頻前端芯片。

佐治亞理工學院博士生李星辰表示：“通過將收發(fā)器模塊分解為單獨的功能芯片，例如功率放大器和變頻器，這些芯片可以嵌入堆疊的基板內(nèi)核中并垂直互連。[1] 在玻璃基板中堆疊 2 英寸（50 x 50 毫米）芯片的工藝的亮點包括菊花鏈結(jié)構(gòu)的集成、玻璃層 （3μm） 之間的良好對準、玻璃透射激光鉆孔和銅填充。

研究人員選擇了ABF（味之素積膜，Dk = 3.3，Df = 0.0044）作為低介電電介質(zhì)和玻璃粘合劑，以及基于RDL的共面波導（見圖1）。寬帶電氣性能高達 220 GHz，損耗為 0.3 dB。

圖 1：堆疊玻璃架構(gòu)使用未固化的 ABF 電介質(zhì)作為粘合劑、激光通孔和銅化學鍍種子/電鍍填充。資料來源：ECTC [1]

將 100 μm 厚的玻璃面板使用倒裝芯片粘合堆疊到未固化的 ABF 上，從而最大限度地減少加熱時的面板移位。ABF 封裝芯片，然后將另一層未固化的 ABF （15μm） 層壓在頂部玻璃上并固化。通過激光加工形成用于信號傳輸和熱改進的玻璃通孔，然后進行附著力促進劑、化學鍍銅和電解鍍，以填充高度達 130μm、間距高達 100 μm 的 V 形過孔。該方法顯示出作為 6G 應用的 3D 堆疊方法的潛力。

玻璃通孔 （TGV） 工藝
：激光器在 TGV 的制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。LPKF Laser & Electronics 戰(zhàn)略產(chǎn)品經(jīng)理 Richard Noack 最近詳細介紹了激光誘導深度蝕刻 （LIDE） 技術(shù)如何改進以用于生產(chǎn)級采用。[2] LIDE 從硼硅酸鹽玻璃的激光改性開始，這會改變結(jié)構(gòu)并使其容易受到各向異性蝕刻的影響。

激光改性過程使用單個激光脈沖破壞玻璃的成分?！白畛醯母男詫挾刃∮?1μm，可以被描述為'水泡鏈'，”諾克說。“與材料的其他部分相比，這種溫和改性的蝕刻速率高出 100 倍?！?/p>

接下來，在氫氟酸 （HF） 中進行濕法蝕刻以形成所需的形狀（見圖 2）。LIDE 已證明能夠蝕刻小至 3μm 并間隔 5μm 的玻璃通孔。

為了促進濕板加工，Yield Engineering Systems （YES） 開發(fā)了一種自動化多室浴槽、沖洗和干燥工具，用于處理多達 12 塊尺寸為 510 x 515 毫米的玻璃面板。該公司高級總監(jiān) Venugopal Govindarajulu 介紹了用于制造高 AR 玻璃通孔的濕法蝕刻方法，該方法設計用于大批量制造。[3]

該工具可以使用市售玻璃材料在130°C下以高達80μm/hr的蝕刻速率蝕刻25-100μm TGV?？梢哉{(diào)整激光工藝以獲得所需的形狀——圓柱形、沙漏形、直孔或型腔。

YES 團隊確定蝕刻速率和 TGV 曲線是 HF 浴化學成分、酸濃度和蝕刻溫度的函數(shù)，可以對其進行調(diào)整以實現(xiàn) 5：1 的高選擇性蝕刻（蝕刻速率改性區(qū)域/蝕刻速率未加工玻璃）。

沙漏狀形狀被認為非常適合使用銅 PVD 實現(xiàn)無空隙填充。濕法蝕刻槽實現(xiàn)的縱橫比（深度/直徑）范圍為 4：1 至 20：1（200μm 厚玻璃）?！霸诖笈恐圃飙h(huán)境中，關(guān)鍵考慮因素是實現(xiàn)更高蝕刻速率的最佳化學成分、針對均勻蝕刻優(yōu)化的流體動力學，以及實現(xiàn)工藝能力的良好溫度和流量控制，”Govindarajulu 說。

圖2：沙漏形輪廓與銅PVD晶種層最兼容，其次是電解電鍍。資料來源：ECTC [3]

盡管LIDE被認為是玻璃通孔的領(lǐng)先工藝，但公司正在探索不涉及有毒HF的更環(huán)保的解決方案。東京大學的Toshi Otsu及其同事能夠在100μm厚的旭硝子ENA1材料中生產(chǎn)出6μm寬、25μm間距的孔。[4]該方法使用具有不同脈沖能量和射擊次數(shù)的深紫外激光（257nm）準直光束。作者說：“使用超短脈沖激光器可以最大限度地減少對周圍材料的熱影響，從而實現(xiàn)精確和清潔的加工。

圖3：孔深隨脈沖能量的增加而增加，但達到極限。資料來源：ECTC [4]

SEM 橫截面顯示，高縱橫比 TGV 在玻璃頂部與底部相比具有更大直徑的孔。深度可最大化至260μm，縱橫比在20：1至25：1之間。（見圖 3）。未來的工作將研究改變激光數(shù)值孔徑如何影響孔徑。

研發(fā)以產(chǎn)生玻璃芯基板的斜坡每
當行業(yè)考慮玻璃等新材料時，仿真都可以深入了解材料如何相互作用。它還可以幫助比較工藝，例如哪種粘合促進劑與玻璃界面最好，或者PVD銅還是銅化學沉積形成更好的種子層。

“當轉(zhuǎn)向新型襯底（例如玻璃）時，原子建模將是預測在玻璃襯底上放置多層薄膜時形成的界面行為的重要工具。這為在開始制造之前將精力集中在哪里以及在加工中要注意什么提供了方向“，Synopsys 首席解決方案工程師 Anders Blom 說。

由于玻璃是一種非晶態(tài)材料，因此必須使用數(shù)十個原子進行建模，而不是像晶體硅這樣的材料只需要 2 個原子即可開始建模。“GPU 加速和機器學習算法的最新進展現(xiàn)在使我們能夠結(jié)合使用快速力場和準確的第一性原理建模來構(gòu)建和運行此類復雜系統(tǒng)的真實模型，”Blom 指出。

另一個有助于在面板層面推進研發(fā)和良率提升的工具，特別是對于具有 HBM 的 AI 處理器，是預測性良率建模。Onto Innovation 的應用程序開發(fā)經(jīng)理 John Chang 在 ECTC 上介紹了預測產(chǎn)量模型的詳細信息，特別關(guān)注覆蓋缺陷?！斑@些組件很昂貴，”他說?！耙虼耍诿恳徊阶畲笙薅鹊靥岣弋a(chǎn)量并及早發(fā)現(xiàn)缺陷以最大限度地減少損失至關(guān)重要?！?/p>

盡管玻璃芯基板相對于有機芯基板顯著減少了圖案失真和翹曲，但它們的出現(xiàn)仍然會影響扇出面板級加工 （FOPLP） 中的良率。Onto Innovation方法使用離線計量工具來測量模具移位和變形，然后將其與定制的工藝參數(shù)和機器學習算法相結(jié)合，以快速減少510 x 515mm面板上的疊加缺陷。[5] “通過利用預測分析和機器學習模型，良率預測技術(shù)不僅可以識別潛在的在線工藝缺陷，還可以推薦可作的解決方案，以在早期階段優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，從而實現(xiàn)更快的產(chǎn)能提升，”Chang 說。

面板級疊加誤差通常在整個面板上表現(xiàn)出非線性模式，并且有四種不同的校正方法——全局、基于區(qū)域（例如，4 個/面板）、基于芯片和逐個站點校正?；谛酒男Ｕa(chǎn)生最高的良率，但校正時間會降低吞吐量。相反，對于每個面板，基于站點的校正在具有相似偏移的區(qū)域中每次曝光都會暴露多個芯片，從而保持高產(chǎn)量，同時減少對吞吐量的影響。然而，僅憑這種優(yōu)化就提供了難以接受的產(chǎn)量。

圖 4：良率預測工作流程可以實時監(jiān)控和分析影響疊加良率的模具移位和圖案失真。資料來源：ECTC [5]

為了加快疊加改進過程，該團隊建立了一種方法來模擬最終良率作為不同工藝參數(shù)條件的函數(shù)?！巴ㄟ^利用這項技術(shù)（圖 4 中的全流程），用戶可以通過仿真確定最佳參數(shù)，并通過運行鑒定基板來驗證預測，”Chang 說。

此外，圖表和直方圖有助于及早識別生產(chǎn) FOPLP 環(huán)境中的疊加問題，這有助于加速鑒定并簡化流程優(yōu)化。“隨著未來幾年FOPLP的預期顯著增長，我們相信產(chǎn)量預測技術(shù)將為實現(xiàn)FOPLP光刻的快速生產(chǎn)和高產(chǎn)量提供一條清晰的道路，”Chang說。

防止 SeWaRe

玻璃以其易碎性而聞名。微裂紋是處理和其他作（尤其是切割）過程中的一個主要問題。

切割時玻璃芯基板上的失效稱為 SeWaRe，以日語中“背部分裂”的表達方式命名。Disco 的 Frank Wei 和 Andrew Frederick 的一項研究探討了使用不同厚度（125、200 和 500 毫米）的裸硼硅酸鹽玻璃以及玻璃兩側(cè)兩種類型的夾層堆積層進行切割導致基板開裂的原因，以得出最小化損壞的最佳方法。[6]

Disco 研究表明，與基于激光的單一方法（激光隱形和激光增強燒蝕填充）相比，雙刀片切割方法產(chǎn)生了更多的邊緣碎裂，但邊緣更光滑。單芯片尺寸為 5 x 5 毫米和 15 x 15 毫米。重要的是，層壓層提高了模具強度，并且在更高的模量電介質(zhì)下實現(xiàn)了最佳的模具強度。

有限元建模 （FEM） 表明，邊緣崩裂是由最尖銳的微觀缺陷引發(fā)的，在切割過程中應力最集中。Disco 小組確定，當層壓層延伸到單裂區(qū)域的邊緣時，會出現(xiàn) SeWarRe 缺陷。它們可以通過部分去除單化邊緣的層壓層來消除，稱為回拉法。

圖5：當在聚合物堆積層（正面和背面）上使用回拉方法時，消除了單一過程中的崩裂。資料來源：ECTC [6]

雖然玻璃面板單分的主流工藝是在基板兩面層壓堆積層后進行的，但索尼半導體解決方案公司的 Shun Mitarai 及其同事采用了一種將切塊基板嵌入有機樹脂中以提供邊緣保護的新方法。[7]他們將單片玻璃芯嵌入工藝（SGEP）與行業(yè)的傳統(tǒng)工藝進行了比較。“制造玻璃芯基板的傳統(tǒng)工藝 （CP） 在保持大型玻璃面板的同時很簡單，但需要大量投資來形成雙面互連和廣泛的設備改造，以處理玻璃而不會破損?！?/p>

傳統(tǒng)工藝從 TGV 蝕刻和金屬化開始，然后是核心互連工藝。然后，將堆積層層壓，然后進行單分。最后，在基材的每個邊緣涂上有機樹脂。

相反，SGEP 在核心互連形成后對基板進行切塊。這一新步驟涉及將玻璃芯段嵌入覆銅層壓板框架中。然后層壓堆積層，然后切割樹脂框架。

Mitarai 指出，這種針對單個玻璃邊緣的保護過程很復雜。雙面堆積層有效地平衡了與單面加工相關(guān)的 CTE 引起的翹曲。相反，單片玻璃芯嵌入工藝可實現(xiàn)單面加工并提供卓越的基板保護。這種方法的下一步將包括提高工藝與嚴格設計規(guī)則的兼容性，并進一步提高良率。

玻璃芯上的混合粘合玻璃的平整度和位置精度創(chuàng)造了新的集成和工藝可能性?！芭c有機芯基板不同，玻璃芯基板足夠平坦，可以進行銅-銅混合鍵合，”Unimicron高級特別項目助理John Lau說。[8]他指出，玻璃不能替代有機芯基材。相反，它補充了現(xiàn)有材料，因為可以使用二氧化硅電介質(zhì)和雙大馬士革工藝制造更小的 RDL 線和空間。

Unimicron團隊展示了器件與有機芯和玻璃芯基板的倒裝芯片鍵合。他們發(fā)現(xiàn)，倒裝芯片鍵合混合鍵合在玻璃上的翹曲略大于倒裝芯片鍵合微凸塊的翹曲，但兩者都在可接受的范圍內(nèi)。他們將微凸塊的較低翹曲歸因于它們充當減震器的能力。作者建議在鍵合到CTE在18 ppm/°C范圍內(nèi)的PCB時使用更高的CTE玻璃（10 ppm/°C）。

結(jié)論
玻璃生態(tài)系統(tǒng)中的公司正在取得重大進展，為多芯片先進封裝中芯片和基板尺寸的持續(xù)增加做準備。激光改性后高頻蝕刻是形成不同形狀和尺寸的玻璃通孔的主要方法，但如果該工藝達到后續(xù)銅填充所需的通孔形狀，則使用準分子激光器進行直接激光蝕刻是一種更具環(huán)保吸引力的選擇。

如果可以在刀片或激光切割之前實施一致的聚合物回拉，則在分離過程中的玻璃微芯片（稱為 SeWaRe）是可以預防的。看來，轉(zhuǎn)換切割方法可以減少但不能消除微裂紋。