文｜半導體產業縱橫

多年來，玻璃作為下一代封裝基板材料，因其諸多優勢而備受業界關注。

作為封裝基板，玻璃的優勢非常明顯。它非常平坦，熱膨脹比有機基板更低，從而簡化了光刻工藝。

這僅僅是個開始。多芯片封裝日益嚴重的翹曲問題已得到顯著改善。芯片可以混合鍵合到玻璃上的重分佈層焊盤上。而且，相對於有機芯基板，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，硅中介層和有機芯基板也正在失去發展動力。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%。這使得它更容易實現線寬和間距小於2微米的重分佈層（RDL），而有機芯基板則難以實現這一點。此外，玻璃在通信波長下的透明度使得波導能夠嵌入堆疊玻璃結構中，用於6G應用。超薄（小於100微米）玻璃很容易製成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，或用於傳感器和MEMS的密封腔體。玻璃比有機物具有更好的導電性，因此能夠更有效地將熱量從有源器件中傳導出去。其熱膨脹係數 (CTE) 可在 3 至 10 ppm/°C 之間調整，使其與低端硅或高端 PCB 更加兼容。

玻璃在高頻應用中也表現出色。由於其介電常數遠低於硅（2.8 vs. 12），且正切損耗較低，傳輸損耗比硅低幾個數量級，從而大大提高了信號完整性。

多年來，玻璃作為下一代封裝基板材料，因其諸多優勢而備受業界關注。其關鍵特性之一是能夠實現高互連密度和低於2µm 的 RDL 佈線。「隨着過去兩年人工智能計算的蓬勃發展，降低佈線密度以提高 SiP 內部通信速度的需求已成為 IC 封裝研發的焦點，」Disco Hi-Tec America 技術經理 Frank Wei 表示。

然而，並非一切都完美無缺。玻璃切割（單片化）很難避免微裂紋，而重複製造數千個細間距玻璃通孔(TGV) 的挑戰也阻礙了玻璃充分發揮其潛力。英特爾在過去十年中對玻璃基板進行了鉅額投資，並於本月初確認仍在推進玻璃項目。儘管存在製造障礙，但高性能計算/人工智能芯片質量提升的前景正在推動其快速發展，正如2025年電子元件與技術大會 (ECTC) 和其他近期會議所證實的那樣，研究人員在以下領域取得了進展：

堆疊玻璃，數據速率>100 GHz；

通過激光改性和HF蝕刻進行TGV蝕刻；

直接激光蝕刻，無需後續蝕刻；

製造6µm、>15 縱橫比的 TGV；

預測產量模型，用於優化覆蓋層，從而加快FOPLP 產量提升；

在分離界面處逐漸減小累積層以防止玻璃破損。

堆疊玻璃在高頻應用中的應用

玻璃因其極低的損耗和高頻傳輸特性，是6G無線通信網絡的理想選擇，該網絡必須支持>100 GHz的數據速率。堆疊玻璃中的異質集成可以將高頻前端芯片與低損耗互連集成到大規模天線陣列中。

佐治亞理工學院博士生表示：「通過將收發器模塊分解為單個功能芯片，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並垂直互連。」在玻璃基板上堆疊 2 英寸（50 x 50 毫米）芯片的工藝亮點包括菊花鏈結構的集成、玻璃層之間的良好對準度（3 微米）、玻璃穿層激光鑽孔和銅填充。

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，又可用作玻璃粘合劑，並在兩層上構建基於RDL的共面波導（見圖1）。寬帶電氣性能高達220 GHz，損耗僅為0.3 dB。

圖1：堆疊玻璃結構採用未固化的 ABF 電介質作為粘合劑，採用激光鑽孔，並採用銅化學鍍種子/電鍍填充。來源：ECTC

100 µm 厚的玻璃面板採用倒裝芯片鍵合技術堆疊在未固化的 ABF 上，從而最大限度地減少面板在加熱時的位移。ABF 封裝芯片，然後將另一層未固化的 ABF (15 µm) 層壓在頂層玻璃上並固化。採用激光加工形成用於信號傳輸和散熱的玻璃通孔，然後使用粘合促進劑、化學鍍銅和電解鍍層填充高達 130 µm、間距達 100 µm 的 V 形通孔。該方法展現出作為 6G 應用的 3D 堆疊方法的潛力。

玻璃通孔(TGV) 工藝

激光在TGV 的製造過程中發揮着關鍵作用。LPKF Laser & Electronics 戰略產品經理 Richard Noack 最近詳細介紹瞭如何改進激光誘導深蝕刻 (LIDE) 技術，以實現量產。LIDE 首先對硼硅酸鹽玻璃進行激光改性，改變其結構，使其易於進行各向異性蝕刻。

激光改性工藝使用單個激光脈衝破壞玻璃的成分。「初始改性的寬度不到1微米，可以描述為‘氣泡鏈’，」Noack說道。「這種溫和改性的蝕刻速率比材料其他部分高出100倍。」

接下來，使用氫氟酸(HF) 進行溼法蝕刻，形成所需的形狀（見圖 2）。LIDE 已證明能夠蝕刻出小至 3µm、間距為 5µm 的玻璃通孔。

為了促進溼法面板加工，Yield Engineering Systems (YES) 開發了一種自動化多腔體浸浴、沖洗和乾燥設備，可處理多達12塊尺寸為510 x 515毫米的玻璃面板。該公司高級總監Venugopal Govindarajulu介紹了一種溼法蝕刻方法，用於製造專為大批量生產設計的高AR玻璃通孔。

該設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 80µm/小時。激光工藝可根據所需形狀進行調整，例如圓柱形、沙漏形、直通孔或腔體。

YES 團隊確定蝕刻速率和 TGV 曲線是 HF 浴化學性質、酸濃度和蝕刻溫度的函數，可以進行調整以實現 5:1 的高選擇性蝕刻（蝕刻速率修改區域/蝕刻速率未處理玻璃）。

沙漏狀形狀被認為是利用銅PVD技術實現無空洞填充的理想選擇。溼法蝕刻槽的縱橫比（深度/直徑）範圍為4:1至20:1（200µm厚的玻璃）。「在大批量生產環境中，關鍵考慮因素包括：優化化學工藝以實現更高的蝕刻速率；優化流體動力學以實現均勻蝕刻；以及良好的溫度和流量控制以實現工藝能力，」Govindarajulu說道。

圖2：沙漏形輪廓最適合採用銅 PVD層，然後進行電解鍍覆。來源：ECTC

儘管LIDE被認為是玻璃通孔的領先工藝，但各公司仍在探索更環保、不使用有毒氫氟酸（HF）的解決方案。東京大學的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衝能量和發射次數的準直深紫外激光束（257nm）。「使用超短脈衝激光可以最大限度地減少對周圍材料的熱影響，從而實現精確、清潔的加工，」作者說道。

圖3：孔深度隨脈衝能量增加而增加，但達到極限。來源：ECTC

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

研發助力玻璃芯基板產量提升

每當業界考慮玻璃等新材料時，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，例如哪種附着力促進劑與玻璃的界面效果最佳，或者PVD銅或化學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：「當轉向玻璃等新型基板時，原子建模將成為預測在玻璃基板上放置多層薄膜時形成的界面行為的關鍵工具。這為在開始製造之前就確定重點方向以及在加工過程中需要注意的事項提供了方向。 」

由於玻璃是非晶態材料，因此必須使用數十個原子進行建模，而像晶體硅這樣的材料只需兩個原子即可開始建模。「GPU加速和機器學習算法的最新進展使我們能夠結合使用快速力場和精確的第一性原理建模來構建和運行此類複雜系統的真實模型，」Blom指出。

另一個有助於推進面板級研發和良率提升的工具是預測良率建模，尤其適用於採用HBM 的 AI 處理器。OntoInnovation應用開發經理John Chang在 ECTC 上詳細介紹了一個預測良率模型，並特別關注了疊層缺陷。「這些組件價格昂貴，」他說道，「因此，在每一步都最大限度地提高良率，並儘早發現缺陷以最大程度地減少損失至關重要。」

儘管玻璃芯基板相對於有機芯基板顯著減少了圖案變形和翹曲，但它們的出現仍然會影響扇出型面板級工藝(FOPLP) 的良率。Onto Innovation 方法使用離線量測工具測量芯片偏移和變形，然後將其與定製的工藝參數和機器學習算法相結合，快速減少 510 x 515 毫米麪板上的套刻缺陷。 「通過利用預測分析和機器學習模型，良率預測技術不僅可以識別潛在的在線工藝缺陷，還可以推薦可行的解決方案，以便在早期階段優化生產參數，從而實現更快的產能提升，」張先生說道。

面板級套刻誤差通常在整個面板上呈現非線性模式，有四種不同的校正方法：全局校正、基於區域（例如，每塊面板4個套刻誤差）、基於芯片的校正和逐點校正。基於芯片的校正可實現最高的良率，但校正時間會降低產量。而對於每塊面板，基於點的校正可在每次曝光中曝光多個具有相似偏移區域的芯片，從而在保持高良率的同時減少對產量的影響。然而，僅靠這種優化方法，良率往往不盡如人意。

圖4：良率預測工作流程能夠實時監控和分析影響套刻良率的芯片偏移和圖案變形。來源：ECTC

為了加速套刻改進過程，該團隊建立了一種方法，模擬最終良率隨不同工藝參數條件的變化。「通過利用這項技術（圖4中的完整流程），用戶可以通過模擬確定最佳參數，並通過運行合格基板來驗證預測結果，」Chang說道。

此外，圖表和直方圖有助於在生產FOPLP環境中及早發現疊對問題，從而加速認證過程並簡化工藝優化。「隨着未來幾年FOPLP預計將大幅增長，我們相信良率預測技術將為實現FOPLP光刻技術的快速生產和高良率提供清晰的路徑。」Chang說道。

衆所周知，玻璃易碎。在搬運和其他操作過程中，尤其是切割過程中，微裂紋是一個主要問題。

玻璃芯基板在切割過程中出現的故障被稱為「SeWaRe」，源於日語，意為「背面開裂」。Disco 公司的 Frank Wei 和 Andrew Frederick 開展了一項研究，探究了切割過程中基板開裂的原因。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，與基於激光的單片方法（激光隱形切割和激光增強燒蝕填充）相比，雙刀片切割方法產生的邊緣碎裂更多，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度，並且採用更高模量的電介質可以獲得最佳的芯片強度。

有限元建模(FEM) 表明，邊緣崩裂是由最尖銳的微觀缺陷引起的，這些缺陷在切割過程中應力最集中。Disco 團隊發現，當疊層延伸到分割區域的邊緣時，就會出現 SeWarRe 缺陷。這些缺陷可以通過在分割邊緣部分移除疊層來消除，這被稱為回拉法。

圖5：當在聚合物構建層（正面和背面）上使用回拉法時，可以消除切割過程中的碎裂現象。來源：ECTC

雖然玻璃面板的主流切割工藝是在基板兩側層壓積層之後進行的，但索尼半導體解決方案公司的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樹脂中，以提供邊緣保護。他們將切割好的玻璃芯嵌入工藝 (SGEP) 與業內傳統工藝進行了比較。「傳統的玻璃芯基板製造工藝 (CP) 在保持大型玻璃面板的同時，操作簡單，但需要大量投資用於雙面互連的形成，並且需要進行大量的設備改造，才能在不損壞玻璃的情況下進行處理。」

傳統工藝首先進行TGV蝕刻和金屬化，然後進行核心互連工藝。接着，對積層進行層壓，再進行單片化。最後，在基板的每個邊緣塗覆有機樹脂。

相反，SGEP 在覈心互連形成後對基板進行切割。這一新穎的步驟包括將玻璃芯段嵌入覆銅層壓板框架中。然後層壓積層，最後切割樹脂框架。

Mitarai 指出，這種針對單個玻璃邊緣的保護工藝非常複雜。雙面增層可以有效平衡單面加工過程中因熱膨脹係數 (CTE) 引起的翹曲。而單片玻璃芯嵌入工藝則能夠實現單面加工，並提供卓越的基板保護。該方法的下一步工作將包括提高工藝與嚴格設計規則的兼容性，並進一步提高良率。

玻璃芯上的混合鍵合

玻璃的平整度和定位精度創造了新的集成和工藝可能性。「與有機芯基板不同，玻璃芯基板足夠平整，可以進行銅-銅混合鍵合，」欣興電子高級特別項目助理John Lau說道。他指出，玻璃並非有機芯基板的替代品。相反，它對現有材料進行了補充，因為可以使用二氧化硅電介質和雙鑲嵌工藝來製造更小的RDL線路和間距。

Unimicron 團隊演示了器件與有機芯和玻璃芯基板的倒裝芯片鍵合。他們發現，倒裝芯片鍵合的混合鍵合在玻璃上的翹曲度略大於倒裝芯片鍵合的微凸塊，但兩者均在可接受範圍內。他們將微凸塊較低的翹曲度歸因於其作為減震器的性能。作者建議，當鍵合到熱膨脹係數 (CTE) 在 18 ppm/°C 範圍內的 PCB 時，應使用熱膨脹係數 (CTE) 較高的玻璃 (10 ppm/°C)。

結論

玻璃生態系統中的企業正在為多芯片先進封裝中芯片和基板尺寸的持續增長做好準備，並取得了顯著進展。激光改性後進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到後續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更具環保性的選擇。

如果在刀片或激光切割之前能夠持續進行聚合物回拉，則可能可以避免玻璃在切割過程中出現微裂紋（SeWaRe）。看來，改變切割方法可以減少微裂紋，但無法消除。