玻璃基板，势头强劲

（本文编译自Semiconductor Engineering）

作为封装基板，玻璃的优势非常明显。它具备极高的平整度，且热膨胀系数低于有机基板，这一特性简化了光刻工艺。

而这仅仅是个开始。对于多芯片封装而言，翘曲是一个日益严重的问题，而玻璃基板能大幅缓解这一问题。芯片可混合键合到玻璃基板上的重分布层焊盘上。而且，相对于有机芯基板，玻璃基板能为高频、高速器件提供极低的传输损耗。

若这些优势仍不够有说服力，硅中介层和有机芯基板也正在失去发展动力。玻璃基板比硅中介层便宜得多，且翘曲度降低了50%，位置精度提高了35%。这使得它更容易实现线宽和间距小于2微米的重分布层（RDL），而有机芯基板则难以实现这一点。此外，玻璃在通信波长下的透明度使得波导能够嵌入堆叠玻璃结构中，以满足6G应用需求。同时，超薄（小于100微米）玻璃很容易制成700x700毫米的大尺寸产品。

玻璃（通常是硼硅酸盐玻璃或石英玻璃）的用途也十分灵活。它可以用作载板、嵌入元件的核心基板、3D堆叠材料，或用于传感器和MEMS的密封腔体。玻璃比有机材料具有更好的导电性，因此能够更有效地将热量从有源器件中传导出去。其热膨胀系数(CTE)可在3至10ppm/°C之间调整，这意味着在低数值端，它能与硅片实现更高兼容性；在高数值端，则可适配印刷电路板。

玻璃基板在高频应用中也表现出色。由于其介电常数远低于硅（2.8 VS 12），且正切损耗较低，这使得其传输损耗比硅中介层低几个数量级，从而大幅提升信号完整性。

多年来，凭借诸多优势，玻璃一直是业界关注的下一代封装基板材料。其关键特性之一是能够实现高互连密度和低于2µm RDL布线。“随着过去两年人工智能计算的蓬勃发展，推动系统级封装内部需通过提升布线密度来提高通信速度，这已成为IC封装研发的核心焦点，”Disco Hi-Tec America技术经理Frank Wei表示。

然而，玻璃基板并非完美无缺。在玻璃切割（分片）过程中，很难避免微裂纹，同时，如何规模化、可重复地制备数千个细间距玻璃通孔（TGVs），这一难题也让玻璃基板难以充分发挥潜力。尽管存在制造瓶颈，但玻璃基板有望提升高性能计算（HPC）与AI芯片质量。目前，研究人员在以下领域已经取得了进展：

• 堆叠玻璃，数据速率>100GHz；

• 通过激光改性和HF蚀刻进行TGV蚀刻；

• 直接激光蚀刻，无需后续蚀刻；

• 宽高比大于15、直径6微米的玻璃通孔（TGV）制备；

• 用于优化套刻精度的预测性良率模型，以加快扇出型面板级封装（FOPLP）的良率提升速度；

• 在分片界面处对增层进行削尖处理，防止玻璃破裂。

面向高频应用的玻璃堆叠技术

6G无线网络需支持100 GHz以上的数据速率，而玻璃具备高频传输特性且损耗极低，因此成为6G无线网络的理想材料。堆叠玻璃中的异质集成，可将高频前端芯片与低损耗互连集成到大规模天线阵列中。

佐治亚理工学院博士生Xingchen Li表示：“通过将收发器模块分解为单个功能芯片，例如功率放大器和变频器，这些芯片可以嵌入堆叠基板芯中，并实现垂直互连。”在玻璃基板上堆叠2英寸（50 X 50毫米）芯片的工艺亮点包括菊花链结构集成、玻璃层间的良好对准度（3微米）、激光玻璃通孔钻孔和铜填充。

研究人员选择了一种ABF（味之素增材薄膜，Dk=3.3，Df=0.0044），作为低k电介质和玻璃粘合剂，并在两层上构建了基于RDL的共面波导（见图1）。最终该结构在220 GHz频率下实现了宽带电学性能，且损耗仅为0.3dB。

图1：堆叠玻璃结构采用未固化的ABF电介质作为粘合剂，采用激光钻孔，并采用铜化学镀种子/电镀填充。

（来源：ECTC）

100 µm厚的玻璃面板采用倒装芯片键合技术堆叠在未固化的ABF上，从而最大限度地减少面板在加热时的位移。ABF封装芯片，然后将另一层未固化的ABF(15µm)层压在顶层玻璃上并固化。采用激光加工形成用于信号传输和散热的玻璃通孔，然后使用粘合促进剂、化学镀铜和电解镀层填充高达130µm、间距达100µm的V形通孔。该方案为6G应用场景下的3D堆叠技术提供了潜在可能。

玻璃通孔(TGV)工艺

激光在TGV的制造过程中发挥着关键作用。LPKF Laser & Electronics战略产品经理Richard Noack最近详细介绍了如何改进激光诱导深蚀刻(LIDE)技术，以实现量产。LIDE首先对硼硅酸盐玻璃进行激光改性，改变其结构，使其易于进行各向异性蚀刻。

激光改性工艺使用单个激光脉冲破坏玻璃的成分。“初始改性的宽度不到1微米，可以描述为‘气泡链’，”Noack表示，“这种温和改性的蚀刻速率比材料其他部分高出100倍。”

接下来，使用氢氟酸(HF)进行湿法蚀刻，形成所需的形状（见图2）。实践表明，LIDE工艺能够制备出孔径仅3微米、孔间距5微米的玻璃通孔。

为助力玻璃面板湿法加工，Yield Engineering Systems (YES)开发了一种自动化多腔体浸浴、冲洗和干燥设备，可处理多达12块尺寸为510 X 515毫米的玻璃面板。该公司高级总监Venugopal Govindarajulu介绍了一种湿法蚀刻方法，用于制造专为大批量生产设计的高AR玻璃通孔。

图2：沙漏形轮廓最适合采用铜PVD种子层，然后进行电解镀覆。

（来源：ECTC）

尽管LIDE被认为是玻璃通孔的主流工艺，但各公司仍在探索更环保、不使用有毒氢氟酸（HF）的解决方案。东京大学的Toshi Otsu及其同事在100µm厚的旭硝子ENA1材料上成功制备出6µm宽、25µm间距的通孔。该方法使用具有不同脉冲能量和发射次数的准直深紫外激光束（257nm）。研究人员表示：“超短脉冲激光的使用，将对周边材料的热影响降至最低，从而实现高精度、无损伤的加工效果。”

图3：通孔深度随脉冲能量增加而增大，但存在极限值。

（来源：ECTC）

扫描电子显微镜（SEM）横截面显示，高深宽比TGV的顶部孔径大于底部孔径。通孔深度最大可达到260µm，深宽比在20:1至25:1之间。（见图3）。未来的研究将探究改变激光数值孔径将如何影响孔径。

研发助力玻璃芯基板产量提升

每当业界考虑玻璃等新材料时，仿真技术都能为材料间的相互作用提供关键洞察。它还可用于工艺对比分析，例如哪种附着力促进剂与玻璃的界面效果最佳，或PVD铜或化学镀铜哪种能形成更好的籽晶层。

新思科技首席解决方案工程师Anders Blom表示：“当转向玻璃等新型基板时，原子建模将成为预测在玻璃基板上放置多层薄膜时形成的界面行为的关键工具。它能在正式开始制造前，为研发方向提供指引，比如应将精力集中在哪些环节，以及在加工过程中需要关注哪些要点。”

由于玻璃是非晶态材料，因此必须使用数十个原子进行建模，而像晶体硅这样的材料只需两个原子即可开始建模。“GPU加速和机器学习算法的最新进展使我们能够结合使用快速力场和精确的第一性原理建模，来构建和运行此类复杂系统的真实模型，”Blom指出。

另一个有助于推进面板研发和良率提升的工具是预测良率建模，尤其针对采用HBM的AI处理器。Onto Innovation应用开发经理John Chang详细介绍了一个预测良率模型，并特别关注了叠层缺陷。

尽管玻璃芯基板相对于有机芯基板显著减少了图案变形和翘曲，但它们的出现仍然会影响FOPLP的良率。Onto Innovation公司的方法是使用离线量测工具测量芯片偏移和变形，然后将其与定制的工艺参数和机器学习算法相结合，快速减少510 X 515毫米面板上的套刻缺陷。

面板级套刻误差通常在整个面板上呈现非线性分布，目前有四种不同的校正方法：全局校正、分区校正（例如每块面板分4个区域）、基于芯片的校正和逐点校正。基于芯片的校正可实现最高的良率，但校正时间会降低产量。而对于每块面板，逐点校正可在每次曝光中曝光多个具有相似偏移区域的芯片，从而在保持高良率的同时减少对产量的影响。然而，仅靠这种优化方法，良率往往不尽如人意。

图4：良率预测工作流程能够实时监控和分析影响套刻良率的芯片偏移和图案变形。

（来源：ECTC）

为了加速套刻改进过程，该团队开发了一种方法，模拟最终良率随不同工艺参数条件的变化。“通过利用这项技术（完整流程见图4），用户可以通过仿真确定最佳参数，并通过运行合格基板来验证预测结果，”Chang表示。

此外，在FOPLP量产场景中，图表与直方图有助于早期识别套刻问题，从而加速认证过程并简化工艺优化。“随着未来几年FOPLP预计将大幅增长，我们相信，良率预测技术将为实现FOPLP光刻技术的快速生产和高良率提供清晰的路径。”Chang补充道。

防止SeWaRe缺陷

众所周知，玻璃易碎。在搬运及切割等加工过程中，微裂纹是一个主要问题。

玻璃芯基板在切割过程中出现的故障被称为“SeWaRe”，源于日语，意为“背面开裂”。Disco公司的Frank Wei和Andrew Frederick开展了一项研究，探究了切割过程中导致基板开裂的原因。研究使用了不同厚度（125毫米、200毫米和500毫米）的裸硼硅酸盐玻璃，以及在玻璃两侧使用两种类型的层压积层，最终找到了目前已知的、能最大限度减少损伤的优化方法。

Disco的研究表明，与激光分片工艺（包括激光隐形切割与激光增强烧蚀填充）相比，双刀片切割方法产生的边缘碎裂更多，但边缘更光滑。单片芯片尺寸分别为5 X 5 毫米和15 X 15毫米。重要的是，叠层覆盖提高了芯片强度，并且采用更高模量的电介质材料，可以获得最佳的芯片强度。

有限元建模(FEM)表明，边缘崩裂是由最尖锐的微观缺陷引起的，这些缺陷在切割过程中应力最集中。Disco团队发现，当叠层延伸到分割区域的边缘时，就会出现SeWarRe缺陷。这些缺陷可以通过在分割边缘部分移除叠层来消除，这被称为回拉法。

图5：当在聚合物构建层（正面和背面）上使用回拉法时，可以消除切割过程中的碎裂现象。

来源：ECTC

目前，玻璃面板分片的主流工艺是先在基板两侧叠层覆盖增层，再进行分片，但索尼半导体解决方案公司的Shun Mitarai及其同事却探索了一种新颖的方法，即将切割好的基板嵌入有机树脂中，以提供边缘保护。他们将切割好的玻璃芯嵌入工艺(SGEP)与业内传统工艺进行了比较。“传统的玻璃芯基板制造工艺(CP)在保持大型玻璃面板的同时，操作简单，但需要大量投资用于双面互连的形成，并且需要进行大量的设备改造，才能在不损坏玻璃的情况下进行处理。”

传统工艺首先进行TGV蚀刻和金属化，然后进行芯基板互连工艺。接着，对积层进行层压，再进行分化。最后，在基板的每个边缘涂覆有机树脂。

相反，SGEP在芯基板互连形成后对基板进行切割。这一新颖的步骤包括将玻璃芯段嵌入覆铜层压板框架中。然后层压积层，最后切割树脂框架。

Mitarai指出，这种针对单个玻璃边缘的保护工艺非常复杂。双面增层可以有效平衡单面加工过程中因热膨胀系数引起的翘曲。而单片玻璃芯嵌入工艺则能够实现单面加工，并提供卓越的基板保护。该方法的下一步研发方向，将包括提高工艺与严格设计规则的兼容性，并进一步提高良率。

玻璃芯基板上的混合键合

玻璃基板的平整度和位置精度，为集成与工艺创新创造了新可能。“与有机芯基板不同，玻璃芯基板足够平整，可以进行铜-铜混合键合，”欣兴电子（Unimicron）高级特别项目助理John Lau表示。他指出，玻璃并非有机芯基板的替代品，而是对现有材料的补充，因为可以使用二氧化硅电介质和双大马士革工艺，来制造更小的RDL线路和间距。

结语

玻璃生态系统中的企业正在为多芯片先进封装中芯片和基板尺寸的持续增长做好准备，并取得了显著进展。激光改性后进行高频蚀刻是形成不同形状和尺寸的玻璃通孔的主要方法，但如果该工艺能够达到后续铜填充所需的通孔形状，则使用准分子激光器进行直接激光蚀刻是更具环保性的选择。

分片过程中玻璃基板出现的微崩裂（即SeWaRe缺陷），若能在刀片切割或激光切割前，通过稳定的聚合物回拉法进行预处理，或可得到有效预防。目前看来，改变切割方法可以减少微裂纹，但无法彻底消除。