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　　除TSMC外，Intel、Samsung等行业巨头已积极参与竞争，而中国队也逐渐崭露头角。NVIDIA、AMD、Intel等公司相继推出了高性能随着AI芯片尺寸和封装基板的不断增大，玻璃基封装技术逐渐受到重视，已经被证实具有商业化潜力，可为芯片设计架构师提供更广阔的设计空间

　　玻璃基板是一种由高度纯净的玻璃材料制成的关键组件，常见的材料包括硅酸盐玻璃、石英玻璃和硼硅酸盐玻璃等。在大规模集成电路（VLSI）和其他电子元件制造过程中，玻璃基板扮演着至关重要的角色，常被用作电路板或支撑基板以承载元件。它们具有良好绝缘性和热稳定性，有助于确保器件正常运行。在平板显示器（LCD）行业中，玻璃基板作为液晶显示屏的基本构件之一，被用于支撑液晶模组。其高平整度和光学透明度有助于确保液晶分子正确排列，确保显示过程中液晶分子所需的颜色、亮度准确呈现。

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　　玻璃通孔（Through-Glass Via, TGV）是指使穿过玻璃基板的垂直电气互连的过程，最初出现于2008年，源自于2.5D/3D集成TSV转接板技术。其主要目的是解决TSV转接板在高频或高速信号传输方面因硅衬底损耗而导致的性能下降、材料成本高和工艺复杂等问题。由于玻璃材料与硅、二氧化硅材料属性存在差异，因此玻璃上通孔刻蚀和孔金属化TGV互连技术成为了研究的关键点。与通过硅通孔（TSV）相对应，玻璃通孔成为一种可能取代硅基板的新型技术。

　　然而，玻璃材料没有自由移动的电荷，也不需要沉积绝缘层，它具有优异的介电性能，其介电常数仅为硅材料的1/3左右，损耗因子比硅材料低2-3个数量级，这大大降低了基板损耗和寄生效应，确保了传输信号的完整性。同时，玻璃的热膨胀系数可调，可以减少与不同材料的热失配。Corning、Asahi和SCHOTT等玻璃制造商可提供超大尺寸（2m × 2m）和超薄（50µm）面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料。受益于大尺寸超薄面板玻璃的易得性以及不需沉积绝缘层的优势，玻璃中间层的制造成本仅约为硅基中间层的1/8，不需要在基板表面和透过玻璃通孔（TGV）的内壁上沉积绝缘层，超薄中间层也无需薄化。当中间层厚度小于100µm时，玻璃翘曲仍然很小。

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　　TGV技术面临的关键挑战是目前还没有类似硅的深孔刻蚀工艺，难以快速制造具有高深宽比的玻璃深孔或沟槽。传统的喷砂法、湿法蚀刻法和激光钻孔法都存在一定的局限性。感应耦合等离子体（ICP）干法蚀刻技术具有控制精度高、蚀刻表面光滑和垂直性良好等优势，常用于蚀刻高深宽比结构，但各向同性蚀刻严重。由于玻璃基板上掩模沉积工艺的限制，蚀刻深孔时需要一定的蚀刻选择性。在保证侧壁的垂直性和蚀刻选择性比的同时，提高玻璃蚀刻速率已成为当前研究的难点。

　　随着行业采用玻璃解决方案，下游工艺(如玻璃处理和通孔/表面金属化)取得了重大进展。特别是利用面板制造的工具集和工艺来实现行业所需的成本结构的能力。半导体封装的新举措创造了对新材料解决方案的需求。在扩展3D-IC堆叠的中介层技术方面已做出大量努力。由于CTE不匹配，3D-IC堆叠的一个重要挑战是可靠性问题，而玻璃基中介层提供了一个很好的机会来管理3D-IC堆叠的翘曲。

　　在制备TGV通孔方面，常用的方法包括机械钻孔、干法刻蚀、湿法刻蚀、聚焦离子束等。然而，上述方法都存在明显的缺点。目前，广泛采用的两种TGV技术方法是激光烧蚀和激光诱导变性。

　　激光烧蚀原理，即在激光激励下，玻璃基原子产生高频振荡并迅速加热，原子从基板脱落并被消融和挥发。激光烧蚀引起的熔融产物和残留物附着在深孔开口处，刻蚀完成后需要清除表面残留物。

　　激光诱导变性刻蚀原理，即超短脉冲激光（皮秒）诱导玻璃产生连续变性区域。与未变性区域的玻璃相比，变性玻璃在氢氟酸中的刻蚀速率更快。该过程不会在玻璃中产生裂纹，并且允许在玻璃中创建盲孔和通孔。先进的激光诱导蚀刻技术可以制造高深宽比结构。目前典型TGV孔径为20 - 100微米，深宽比为1:4 - 1:10。

　　玻璃表面光滑，对金属铜的粘附力较低，易导致金属层脱落、卷曲等问题。为增强铜层与玻璃的结合力，一些研究者采用紫外光照射清洗玻璃表面，或通过化学溶液浸泡玻璃表面生成纳米厚度的金属氧化物作为黏附层以提高电镀铜层结合力。

　　早期，TGV金属化工艺主要延续TSV电镀铜金属化工艺路线，采用Ti、TiW、Cr、TaN/Ta等作为黏附层/阻挡层，溅射Cu作为种子层。为了降低后续退火过程导致的热应力，TGV金属化方法中孔径一般设计小于50μm，厚度一般小于100μm。例如，2016年台湾工业研究院和格罗方德等公开的12英寸TGV转接板技术采用与TSV转接板几乎相同的工艺路线。该技术具有高TGV孔互连密度等优点，但工艺流程复杂，与TSV转接板技术在产业生态层面面临竞争。另一种方法是在TGV通孔表面涂覆有机物并进行平坦化填充后，利用激光技术穿透有机物，形成贯穿通孔，并在通孔内进行双面电镀工艺。例如，2020年美国佐治亚理工学院展示的一项基于TGV的内嵌扇出封装体的毫米波天线模块采用了这种方法。通过在TGV通孔内填充有机物，这一方法改善了电镀阻挡层与衬底的结合力，并降低了热力学可靠性风险。在TGV通孔双面电镀铜填充金属化工艺路线中，TGV孔的互连密度通常在50μm以上。然而，继续缩小TGV通孔的尺寸和间距可能会限制工艺制程的优势发挥。

　　在面向芯片2.5D/3D集成和光电共封装等领域的应用中，对于大面积和大厚度范围的玻璃转接板，精确控制TGV通孔的电镀铜填充模式成为一个挑战。这是因为TGV通孔并不是像TSV一样是垂直通孔，它是一种两边大中间小类似于“X“形的截面结构，这给电镀填充带来了巨大难题，电镀液成为制约通孔填充的关键。

　　为实现TGV通孔互连密度并降低热力学可靠性风险，业界开始重视综合利用TGV通孔电镀和保形金属化的优势。这种工艺能够在TGV通孔内的特定位置进行实心填充，而在其余区域进行保形填充，从而在铜TGV互连孔径、间距、厚度范围、电学特性、热力学可靠性、电镀填充效率以及工艺开发难度等方面取得平衡。

　　有两种方法可以实现TGV通孔部分实心填充。一种方法是利用TGV孔的几何形状，在TGV通孔内侧壁实现”X”形两侧铜层保形生长，中间束腰位置实现实心填充。另一种方法是通过开发新型电镀液添加剂控制通孔内侧壁电位分布，使得TGV在中间束腰处生长速率加速，率先实现铜填充，这一过程将TGV通孔的电镀填充转变为两个盲孔电镀填充。

　　玻璃基底具有优异的高频电特性。与二维平面电感器相比，具有穿过玻璃通孔(TGV)结构的三维电感器具有更好的品质因子。玻璃的介电常数较低、电阻率较高，具有更好的高频性能。利用穿过玻璃通孔(TGV)的无源元件，如滤波器和双工器，可以保持小尺寸的同时确保低带内插入损耗和高带外抑制。因此，它广泛用于集成无源器件（IPD）。其次，玻璃板的翘曲可以控制在1mm以内，并且没有出现明显的结构剥落和层状剥离。

　　玻璃通孔(TGV)还可以在玻璃上创建空腔，从而为芯片封装的嵌入式玻璃扇出(eGFO)提供新解决方案，从而实现高I/O密度和高性能的玻璃面板扇出封装，有效控制芯片偏移和翘曲。

　　例如在厚度为180um的玻璃晶圆上，首先通过激光诱导玻璃变性和化学蚀刻形成玻璃空腔，然后将175um高的芯片放置在玻璃空腔中，在填充芯片与玻璃之间的间隙时，使用复合材料而不会产生空洞，同时保护芯片的背面。将晶圆的顶部表面剥离，形成铜RDL，最后进行后续电路制作、球栅阵列（BGA）制作和晶圆切割。

　　首先，通过激光诱导蚀刻制备波导槽阵列天线玻璃基板，并在玻璃上诱导连续的变性区域，然后使用稀盐酸对变性玻璃进行蚀刻，玻璃将以碎片形式脱落，形成目标通孔结构。其次，利用物理气相沉积在每一层波导槽阵列天线玻璃基板上溅射一层铜层，并经过氧等离子清洗彻底去除表面的有机物和其他颗粒，并在晶圆表面产生一定的粗糙度，作为种子层为各层提供良好的附着条件。清洁后的晶圆在烘箱中以150°C加热60分钟，完全去除水分。然后在磁控溅射设备中，在晶圆表面溅射一层约5μm厚的铜层。

　　多层玻璃基系统级封装，即利用导电胶填充玻璃通孔，实现多层玻璃基板堆叠。在回流过程中，该方案产生的多层玻璃基板的翘曲比传统有机基板小，这项技术可以实现高密度布线和高可靠性。

　　随着科技行业对计算能力的不断追求，越来越多的半导体巨头开始涉足异质整合领域。这种技术将多个芯片（Chiplet）通过内部互连方式封装在一起。而玻璃基板因其独特的机械、物理和光学性能而备受青睐，能够在单个封装内实现更多晶体管的连接，并提供更快的信号传输速度。对于芯片架构师来说，这意味着他们可以在一个封装内集成更多的Chiplet，从而提升性能、密度和灵活性，同时降低成本和功耗。与其他基板相比，玻璃基板具有更加光滑的表面，不会对电路产品产生不利影响。此外，玻璃基板在热学性能和物理稳定性方面表现出色，更耐高温。

　　英特尔表示，随着半导体行业对晶体管数量的不断扩展，使用有机材料在硅基封装上缩放晶体管可能会在未来几年达到技术的极限。因此，他们预计在2026年至2030年期间推出完整的玻璃基板解决方案。这一解决方案有望超越当前所有的制程节点，并首先应用于需要更大体积封装、更高速应用以及工作负载更大的数据中心、人工智能、图像处理等高性能领域。因此，玻璃基板技术的突破被认为是下一代半导体发展的重要环节，具备了确实可行且不可或缺的特性。

　　小编期待并衷心祝愿国内的设备商、生产商、研究团队以及其他相关机构和企业，能够深入实验布局，投入更多心血和精力。希望他们能够抢先制定相关标准，实现技术创新，紧跟玻璃基新工艺、新技术的发展潮流。在这个充满机遇的时代，玻璃基板技术为我们提供了广阔的发展前景。只要我们勇于探索，不断创新，就能够抓住这一难得的机遇，取得更大的成就。相信在大家的共同努力下，玻璃基板技术必将迎来更加美好的明天！

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