降低玻璃基板TGV应力难题的方法

在高性能计算、人工智能快速发展的当下，半导体行业对芯片集成规模和封装基板性能的要求越来越高。过去常用的有机基板在解决大尺寸封装翘曲问题上力不从心，而玻璃基板凭借出色的机械性能、热稳定性和平整度，成为下一代先进封装的“潜力选手”。不过，玻璃基板上的关键结构——玻璃通孔（TGV），却一直被应力问题困扰。

TGV是实现玻璃基板上下电路连通的核心通道，通常需要用铜填充。但铜和玻璃的热膨胀系数差异很大，在封装加工的升温、降温过程中，两者收缩或膨胀的程度不同，会产生巨大的热应力。这种应力可能导致玻璃开裂、铜与玻璃分层，严重影响封装的可靠性和使用寿命。之前行业常用聚酰亚胺（PI）作为缓冲层缓解应力，但PI在高温烧结时容易降解，无法适配后续的化学镀金属化工序，应用受限。

针对这一痛点，中国科学院微电子研究所陈钏团队提出了新方案：在玻璃基板TGV的玻璃与铜之间，烧结一层无机缓冲层。为了适配化学镀工艺，团队选择了ZnO、TiO₂、ZrO₂三种无机材料，通过有限元仿真分析，研究它们对TGV应力的缓解效果，还探索了缓冲层厚度、玻璃芯板厚度等参数的影响。

图 玻璃基板 TGV 仿真模型

结论

1）烧结2 μm 及以下的ZnO、TiO₂、ZrO₂无机缓冲层在冷却至室温后玻璃芯板的最大主应力为径向拉应力，最大应力值为 38.41 MPa (2 μm 的 ZrO₂)，小于玻璃芯板的抗拉强度 150 MPa，不会造成玻璃芯板的失效。

2）在玻璃基板 TGV 填孔后的叠层工艺升温过程中，加入缓冲层可以有效降低玻璃芯板的应力，最大主应力为通孔内的周向拉应力，纯铜填充的 TGV 玻璃芯板最大主应力为 202.36 MPa，其中应力缓冲效果最好的缓冲层为 TiO₂，缓冲层为 5μm 的 TiO₂，玻璃芯板的最大主应力为 67.63 MPa，相较于纯铜填充 TGV，应力降低了 66.58%。

3）随着缓冲层厚度的增加，玻璃板升温过程中的最大主应力变小，玻璃芯板降温过程中的最大主应力变大；缓冲层厚度从 1μm 增加到5μm，ZnO、TiO₂、ZrO₂ 无机缓冲层的应力缓冲效果明显好于 PI缓冲层通过增加厚度缓解玻璃芯板应力的能力越强，工艺容差大。但是随着缓冲层厚度的增加，所有材料的应力缓冲率整体呈现逐渐下降的趋势，说明应力缓冲效果随着厚度的增加呈收益递减特性。

图 PI缓冲层厚度对玻璃芯板最大主应力的影响

图 ZnO缓冲层厚度对玻璃芯板最大主应力的影响

图 TiO₂缓冲层厚度对玻璃芯板最大主应力的影响

图 ZrO₂缓冲层厚度对玻璃芯板最大主应力的影响

4）随着 TGV 孔径的增加，TGV 降温过程玻璃芯板最大主应力变小，升温过程玻璃芯板的最大主应力变大。

图 TGV孔径对玻璃芯板最大主应力的影响

以上仿真结果表明，无机缓冲层方案可有效降低玻璃基板 TGV 的应力。值得注意的是，玻璃基板加工中，无机缓冲层可能会有高应力断裂失效风险，其抗拉强度以及与玻璃、铜之间的结合力还需在未来工作中进一步研究。

更多仿真实验具体数据可以查看赵泉露，赵静毅，丁善军等《降低玻璃基板 TGV 应力的无机缓冲层方法与仿真分析》论文内容。

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