在半导体2.5/3D封装中,有机转接板、TSV硅转接板和TGV玻璃转接板是主流的转接板材料。其中,玻璃的高频性能优异,这是因为玻璃是绝缘材料,其介电常数是硅的1/3,损耗因子比硅小2~3个数量级。这使得玻璃能够显著减小高频下的插入损耗和串扰,因此基于玻璃的TGV转接板在射频集成领域得到了广泛应用。
此外,玻璃的热膨胀系数可调,可以降低与不同材料间的热失配。这对于实现可靠的热管理是非常重要的。
另外,由于大尺寸玻璃面板易于获取,不需要沉积绝缘层,因此玻璃的成本约为硅衬底的1/8。这使得玻璃成为一种经济高效的转接板材料选择。
然而,TGV技术面临的关键问题是缺乏类似硅的深刻蚀工艺,难以快速制作高深宽比的玻璃深孔或沟槽。传统的喷砂法、湿法刻蚀法和激光钻孔法等均存在一定的局限性。感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术控制精度高,刻蚀表面平整光滑,垂直度好,常用于刻蚀高深宽比结构,但各向同性刻蚀严重。由于玻璃衬底上掩膜沉积工艺的限制,在深孔刻蚀时,需要一定的刻蚀选择比。在保证侧壁垂直性与刻蚀选择比的同时提高玻璃刻蚀速率成为目前研究的难点。
TGV通孔制备的方法有喷砂、机械钻孔、干法刻蚀、湿法腐蚀、聚焦放电等,然而上述方法都有明显的缺点,目前TGV通孔制备的使用最广泛的方法是:激光刻蚀与激光诱导变性。
激光刻蚀玻璃的方法不需要掩膜,可以省略相关的工艺过程,降低制造成本。激光刻蚀能够自然形成一定倾斜角度的深孔,这有利于后续在高深宽比深孔内填充金属。然而,这种方法需要串行进行加工,影响了刻蚀效率和产量,因此一般适用于需要通孔数量比较少的情况。此外,激光刻蚀引起的瞬间高温和玻璃本身较低的热导率使衬底承受更高的热应力集中,容易在盲孔侧壁造成微裂纹,并且侧壁的形状控制较为困难、表面粗糙度很差。另外,激光烧蚀造成的熔融产物和残渣附着在深孔的开口处,在刻蚀以后必须采用额外的平整工艺去除表面残渣。
激光诱导变性制造TGV通孔的方法是通过脉冲激光诱导玻璃产生连续的变性区,相比未变性区域的玻璃,变性玻璃在氢氟酸中刻蚀程度提升、效率加快。这种方法可以实现高深宽比的玻璃深孔或沟槽的制作,并且具有各向同性刻蚀的优点。然而,这种方法需要进行两次加工(激光诱导变性和氢氟酸刻蚀),工艺流程较长,成本较高。同时,玻璃的表面质量较差,需要进行额外的处理。