玻璃通孔 (TGV) 是玻璃基板上排列成特定图案的高深宽比孔，用于形成金属触点。填充后，这些通孔可在集成电路的堆叠组件之间提供电连接，从而实现紧凑且高度集成的器件架构。这些连接在半导体行业的网状玻璃晶圆和晶圆级封装中发挥着至关重要的作用，因为不同几何形状的通孔和高深宽比通道必须共存于同一基板中。
图片源于：光子学研讨会
玻璃通孔的发展，与中介层技术深度绑定。该技术可实现多颗芯片在2.5D、3D集成电路中的高密度集成，将逻辑芯片、存储芯片及其他高性能计算单元整合至同一平台。短距离互连线路搭配优化的供电设计，还能有效降低芯片功耗。各层中介层之间必须实现电气隔离，避免短路问题，而玻璃具备优异的高频特性，是理想的绝缘介质材料。
从智能手机、车载传感器到各类复杂微机电系统（MEMS），玻璃通孔都是实现高密度电气互连的核心结构。合理设计通孔布局，能够保障层间信号稳定传输，在缩小设备体积的同时，维持产品可靠性能。
当下电子产品不断朝着小型化、高性能、低功耗方向迭代，玻璃通孔加工已然成为先进制造的关键工序，广泛配套高端GPU、CPU及高频电子器件的生产。探究激光技术制备玻璃通孔的工艺原理，也有助于进一步提升微电子器件的集成度与综合性能。
图1：高密度微孔玻璃钻孔样例
玻璃材料的加工难点
和硅、碳化硅等半导体常用材料一样，玻璃质地脆硬，加工难度较大。玻璃本身机械强度高、化学性质稳定，但脆性特质使其在打孔过程中极易出现裂纹与表面损伤，进而破坏晶圆整体结构强度。由于微孔形貌会直接影响电路的高频性能，因此加工过程必须进行精细化管控，保证基板结构完好。此外，单块晶圆有时需要加工数十万枚微孔，行业也一直在探索兼顾高产能与加工良率的制备方案。
目前业内已研究出多种玻璃通孔制备工艺，各大企业也持续投入资源进行技术优化，其中激光加工方案凭借突出的综合效率脱颖而出。飞秒激光尤其适配玻璃通孔加工需求，制备的微孔锥度极小、深径比大、内壁光滑，还能大幅降低崩边、开裂等缺陷的发生概率。
现阶段，业内研究最广泛的激光制孔工艺主要分为两类。第一种是激光直接刻蚀法：利用千兆赫兹（GHz）长脉冲序列完成打孔作业，设备通过振镜扫描系统引导飞秒激光束，再经f-theta透镜聚焦至加工工件表面。
第二种为激光改性+化学腐蚀法：先利用激光改变玻璃内部组织结构，再将经过改性的区域放入氢氟酸、氢氧化钾（KOH）等酸碱溶液中进行腐蚀去除。该工艺采用贝塞尔光束聚焦物镜，替代了传统的f-theta透镜。
两种微加工工艺的参数设置，会直接影响玻璃通孔的孔径、孔深、加工效率及结构质量等核心指标。
千兆赫兹脉冲序列刻蚀工艺优化
在单脉冲加工模式下，单纯提升脉冲能量或平均功率虽能加快钻孔速度，却会严重损害加工质量，极易引发材料开裂。而脉冲序列模式会将单个激光脉冲拆分为多个子脉冲，并按照设定时间间隔输出。在千兆赫兹工作区间内，子脉冲之间的间隔约数百皮秒。这种能量分时输出的方式，让千兆赫兹脉冲序列加工的效率显著高于传统单脉冲刻蚀。
从加工原理来看，脉冲序列刻蚀的效率优势，源于打孔过程中独特的材料去除机制。当脉冲序列作用于玻璃表面时，会先形成典型的V型孔道。密集输出的子脉冲会让热量不断在孔道侧壁与底部累积，在适宜条件下，孔底材料会转变为熔融状态。与此同时，等离子体效应也起到关键作用：首个子脉冲激发产生的等离子体，在数百皮秒的间隔内无法完全消散，后续子脉冲作用时，孔内等离子体压力会进一步升高，推动熔融材料向上排出，形成刻蚀-熔融排出复合加工机制。
图2：千兆赫兹脉冲序列加工的材料去除原理
这套加工机制兼具高效与高品质两大优势：材料无需完全汽化，部分熔融物可借助等离子体作用直接排出。即便在常规工况下，也能加工出孔壁完好、无明显裂纹与结构损伤的洁净微孔。
平衡加工效率与成品质量
玻璃通孔的质量评判标准较为复杂，仅依靠外观图像与基础参数容易造成误判。产能、孔径等单一指标无法全面反映加工效果，两款参数相近的加工方案，制备出的微孔也可能存在巨大的内应力差异。举例而言，若以单组脉冲序列内的子脉冲数量为变量测试钻孔效率，会发现效率会在某一脉冲数量与能量区间达到峰值，但该看似最优的工况，往往会导致刻蚀区域周边出现开裂、崩边或高内应力等问题，严重影响通孔品质。
图3：上图：孔径与脉冲序列总能量的对应关系，不同色线代表子脉冲数量差异；虚线为200毫米焦距透镜加工结果，实线为20毫米焦距透镜加工结果。中下两图：相同脉冲总能量下，分别采用200毫米、20毫米焦距透镜加工的微孔形貌。
因此工艺优化的核心目标，不只是提升加工产能，更要找到稳定的加工区间，批量制备出无残余应力、无结构缺陷的高品质微孔。综合考量孔深、孔径、整体形貌等参数，才能精准判断微加工参数对玻璃通孔性能的影响。
激光聚焦透镜的焦距，也会对钻孔深度产生明显影响。整体来看，深度小于1毫米的浅孔，无论搭配何种焦距透镜，加工质量都更为稳定。在钻孔初期，使用20毫米、100毫米这类短焦距透镜，孔深增长速度更快。但加工深度持续增加后，短焦距透镜加工的孔道容易出现稳定性问题，原本笔直的孔道会发生弯曲。该现象的具体成因尚未完全明确，推测与孔壁熔融、熔料排出扰乱钻孔方向有关。
图4：上图：孔深随聚焦透镜焦距、脉冲数量的变化趋势，测试基材为熔融石英；右下：短焦距透镜加工的深孔易出现弯曲现象；左下：长焦距透镜加工的孔道形态笔直、稳定性佳。
200毫米等长焦距透镜可加工出深度超3毫米的深孔，孔深与脉冲数量基本呈线性增长关系，加工状态十分稳定，也意味着可一次性完成多层玻璃片或玻璃晶圆的贯穿打孔，高度契合玻璃通孔量产对高产能的需求。
脉冲序列的总能量是决定孔径大小的核心因素。在透镜焦距、子脉冲数量不变的前提下，脉冲总能量越高，孔径越大。相对而言，光学镜头焦距对孔径的影响微弱，如图3所示，相同脉冲能量下，20毫米与200毫米焦距透镜加工出的孔径差距极小，进一步印证了脉冲能量的主导作用。
除总能量外，孔径还受其他参数影响。在一定深度范围内，增加单组序列内的子脉冲数量，孔径会稳步增大；超出该范围后，孔道形态将变得不规则、稳定性下降。脉冲重复频率同样关键：在平均功率不变的情况下，40千赫兹高频工况对比5千赫兹低频工况，热量无法及时散逸，热累积效应加剧，最终形成的孔径更大，平均孔深也略有增加。
综合孔深、孔径、形貌的变化规律可以确定，该工艺属于热加工范畴。通过调整脉冲序列参数与光学聚焦系统，并结合目标孔深匹配工艺设置，就能精准调控微孔形貌。千兆赫兹脉冲序列刻蚀对参数敏感度较高，但经过充分优化后，可稳定加工出锥度极小、无裂纹、无热损伤的优质微孔。
图5：千兆赫兹脉冲序列直接刻蚀制备的近无锥度熔融石英微孔，从上至下依次为入孔面、孔道剖面、出孔面。
激光改性+可控化学腐蚀工艺
通孔的尺寸、形貌及金属填充效果，会直接影响器件的频响等核心性能，很多应用场景都要求玻璃通孔具备特殊轮廓，例如沙漏形孔道、陡直孔壁等。
仅依靠激光改性，很难直接打造复杂形貌。贝塞尔光束可在玻璃内部形成连续、笔直的窄孔道，借助4F光路中的缩束光学元件，可将贝塞尔光束的有效作用区间长度控制在0.5至1毫米之间，根据玻璃基板厚度灵活调整，实现单次激光作用即可贯穿整块玻璃。加工数毫米厚的玻璃样品时，所需单脉冲能量范围从数十微焦至数毫焦不等，具体数值由玻璃材质决定。实际加工中，还需要精细匹配脉冲能量、子脉冲数量，部分场景下还需调整脉冲序列包络形态，让前后子脉冲的幅值适配材料特性。
单纯激光改性难以实现沙漏形等复杂孔道结构，而化学腐蚀工艺则提供了极大的形貌调控空间。实验选用不同浓度、不同温度（80~110℃）的氢氧化钾溶液开展测试，结果证实腐蚀条件对最终成型效果影响显著。温度与腐蚀剂浓度越低，腐蚀速率越慢，但由于未被激光改性的区域腐蚀速度极慢，最终可得到高深径比的孔道；提升腐蚀剂浓度与温度，会加快腐蚀进度，但会降低深径比，形成孔径更宽、锥度更大的孔道。针对不同玻璃材质，在高温高浓度腐蚀环境下，完成数百个微米级微孔的腐蚀流程最短仅需30分钟，常规工况下也可在1小时内完成。
利用这一特性，技术人员可按需定制玻璃通孔形貌：高温高浓度腐蚀条件适合加工沙漏形通孔；温和的腐蚀环境则能制备锥度小、侧壁陡直的孔道。
同时，腐蚀工艺可精准控制孔径。激光改性区域初始宽度仅数微米，深度可达数毫米，经过腐蚀处理后，孔径可拓展至10微米至100微米以上。仅通过改变腐蚀条件，就能让同一处激光改性区域加工出不同孔径、不同轮廓的通孔，工艺灵活性极强。
图6：上图：直壁型玻璃通孔横截面；下图：沙漏形玻璃通孔横截面。
工艺方案选型
两种玻璃通孔制备工艺均可精准控制孔道形貌，但在加工速度、设备配置、适用玻璃材质上各有差异。
激光改性+化学腐蚀工艺：单次激光扫描即可完成改性，最终孔径与形貌由腐蚀环节决定，形貌定制能力突出。短板在于腐蚀流程耗时较长，往往需要数小时。
激光直接刻蚀工艺：单枚微孔需要数百至数千个脉冲完成加工，但无需后续腐蚀工序。加工1毫米深的微孔，耗时普遍不足1秒，最快仅需20毫秒。按照该效率，单块数百万微孔的晶圆可在1小时内完成加工，完全满足工业化量产需求。
设备配置方面也存在明显区别：激光直接刻蚀工艺搭配振镜扫描系统，可快速切换激光点位，实现高速加工；而贝塞尔光束激光改性工艺，一般需要高精度位移平台移动工件逐孔加工，会拉长整体生产节拍。
实际选型需结合玻璃材质与应用场景综合判断。激光直接刻蚀工艺流程简洁、可一步成型，综合表现亮眼；但如果对通孔品质、尺寸精度要求极高，激光改性配合化学腐蚀的方案，仍是制备高端玻璃通孔的主流选择。
两种工艺并非相互对立、无法兼容。在部分生产场景中，复合工艺能发挥更大优势：例如采用激光直接刻蚀加工少量特殊通孔，再用激光改性腐蚀工艺加工其余大部分通孔，兼顾整体一致性与规模化生产能力。总而言之，这两类工艺充分体现了飞秒激光的技术优势，是支撑下一代先进半导体封装技术落地的重要基础。
