电镀金属化完成后，玻璃基互连结构在后续热处理、装联及服役过程中仍可能因孔洞、分层、剥离等缺陷而出现界面失稳、应力集中与裂纹扩展，并进一步诱发电迁移、热机械失效等可靠性问题，最终影响器件的电学性能与系统级稳定性。因此，有必要从工艺质量控制角度，对玻璃基电镀互连中的典型缺陷、形成原因及其调控方法进行分析。
1 TGV缺陷控制
当前影响TGV可靠性的突出问题之一是玻璃裂纹，其主要与通孔内铜填充后的应力集中有关。由于TGV内部铜层沿深度方向的生长并不均匀，靠近孔口区域受电流密度影响更大，晶粒往往较粗，而通孔内部晶粒相对细小，这种晶粒尺寸与力学响应的不均一性会诱发局部塑性变形，并在孔口顶角附近形成较高的应力集中，最终导致裂纹的生成以及玻璃开裂。而对应生成的裂纹按照形态可分为径向裂纹和周向裂纹，如图13所示。
对于径向裂纹，已有研究表明其对退火升温速率较为敏感，可通过优化退火工艺实现有效抑制。美国康宁公司系统研究了退火参数对径向裂纹的影响，发现裂纹发生率与加热速率呈指数关系：当加热速率为 26°C/min 时，裂纹发生率为 39.4%；降低至 13°C/min 时，裂纹发生率降至 0.8%；当加热速率低于 6.5°C/min 时，可基本消除径向裂纹[33]，如图14所示。这说明通过减缓升温速率、释放热失配应力，是控制径向裂纹的有效途径。
相比之下，周向裂纹仅依靠退火工艺难以完全消除，这是由于其形成与铜层厚度及局部变形空间密切相关。OKORO等研究发现，铜金属化厚度与周向裂纹发生率呈指数相关关系；在其研究条件下，当铜层厚度低于 12μm 时，未观察到周向裂纹。针对这一问题，一类常见做法是采用环形TGV填充结构，为铜层在热处理过程中的塑性变形提供释放空间，从而减弱孔口区域的应力集中；相关效果如图15所示。但环形填充并不能实现通孔的完全实心金属化。为兼顾填充完整性与裂纹控制，日本枚方市宇野村株式会社采用两槽药水工艺，在填充阶段采用低电流密度直流电镀，以细化靠近玻璃表面的铜晶粒，降低晶粒不均一性，同样实现了对周向裂纹的有效抑制。
除裂纹外，TGV在热处理过程中还可能表现出铜凸出及由此引起的局部变形问题。由于玻璃与铜的热膨胀系数存在差异，电镀后的TGV可视为玻璃-铜复合结构，其热处理响应与填充形态和后续温度条件密切相关。相关研究表明，实心填充结构在较高温度下更容易形成不可逆凸出，而保形填充结构的凸出程度相对较低，如图16所示。因此，铜凸出更适合作为TGV后处理条件与填充形态耦合作用下的质量问题加以考虑，其控制重点仍在于优化填充方式与热处理条件，以降低局部变形对玻璃结构稳定性的影响。
2 Bump缺陷控制
在bump互连中，界面反应、孔洞形成与裂纹扩展虽然通常表现为可靠性问题，但其形成过程与电镀成形、堆栈设计、回流条件及后续热负载密切相关。而对于玻璃基结构而言，由于互连尺寸进一步减小且温度循环下更易出现整体翘曲与应变集中，界面缺陷的影响也更容易被放大。现有研究普遍将bump中的关键风险归并为三类，如图17所示，分别为金属间化合物层过度生长引发的脆化、扩散失衡诱发的Kirkendall孔洞，以及热循环驱动的疲劳裂纹扩展。
图17 Bump内的缺陷
其中IMC的生长及形貌演化是细间距互连中普遍存在的界面过程。Cu bump在回流与高温作用后往往形成 Cu₅Sn₅/Cu₅Sn 等反应层，并随回流次数与高温处理时间增加而持续增厚；当IMC逐渐连续化并在界面处占据更高比例时，断裂更容易由焊料本体塑性变形主导转向IMC附近的脆性开裂。针对这一问题，研究人员提出通过优化扩散阻挡层成分来同时调控IMC类型与生长速率。例如LI等比较了不同 Ni-xCu 合金阻挡层在Sn-Cu焊点中的界面反应与力学表现，如图18所示，发现采用Ni-60Cu时焊点剪切强度达到26.96MPa，相比纯Ni阻挡层（24.47MPa）提升约 10%，且界面反应产物的演化更易受到控制。
相比之下，Kirkendall孔洞在微凸点尺度下则更具破坏性，这是由于尺寸缩小会使孔洞对有效承载面积与局部电流密度的影响被显著放大。为解决此问题，除了缩窄回流窗口，更直接的路径是从堆栈结构上重排扩散路径与反应顺序。XU等提出 Cu/Ni/Cu/Sn1.8Ag （CNCT）微凸点结构，通过在Cu柱内部引入Ni分隔并精确控制上部Cu厚度以抑制Cu向Sn的过量扩散；在 150°C 高温作用最长 1500h 的条件下，键合界面仍未观察到明显孔洞，表明该结构可在长时热作用下保持较好的界面完整性，如图19所示。在玻璃基互连中，上述界面缺陷更容易与结构应力效应叠加。相关研究指出，玻璃体系对应力与裂纹更为敏感，温度循环条件下的翘曲与应力集中会提高互连失效风险，因此可靠性评估往往需要从封装级翘曲控制与应力分配入手进行约束。在具体的结构改进上，提高互连的顺应性并削弱边角区域的应变集中，是延缓疲劳裂纹扩展的常用方法。
QIU等在Cu柱微凸点中引入印刷聚合物芯，并通过可靠性试验加以验证：在 0~100°C 温度循环条件下，其特征寿命提升 32%；在冲击可靠性试验条件下，特征寿命提升约4倍（见图20），说明通过增强凸点的可变形能力可以有效降低热机械载荷下的疲劳损伤累积。另一方面，LAU等针对玻璃基板开展的非线性、时温相关分析进一步表明，基底结构会显著改变焊点内部的应变累积及潜在失效位置，这也说明bump质量控制不能仅局限于界面本身，还需同时关注整体结构应力状态。
图19 在150℃退火下焊接的CNCT微凸点
3 RDL电镀质量控制
相较于TGV与bump，RDL结构更强调平面细线成形与多层互连的一致性，其相关问题往往由线形损伤、表面粗化、界面黏附下降及局部电流集中等因素逐步累积而成。细化条件下，去种子层刻蚀引起的侧向侵蚀与表面粗化会改变局部截面与电流分布，使电迁移与局部热积累更容易在特定位置起始；与此同时，铜组织状态、介质层材料及热处理条件又会共同影响界面应力与结构稳定性，进一步决定温度循环下的裂纹、剥离及电阻漂移行为。在电流载荷作用下，细线RDL首先表现出较强的电迁移敏感性。
如LIANG等人报道了埋置于聚酰亚胺（PI）介质中的细间距Cu RDL电迁移行为，其测试结构的线宽/线距为 2/2μm、铜层厚度约 3μm。结果显示在 180°C、约 8.8×10⁵ A/cm² 的电流密度条件下，细线RDL会出现明显的电阻漂移并最终失效；且其失效位置并不总是发生在阴极端孔洞或阳极端堆积的典型区域，如图21所示，而是与局部热累积导致的热迁移共同决定，因此文献指出细线RDL的失效机理需要同时考虑电迁移和由焦耳热诱发的温度梯度效应。
图21 Cu RDL中的电迁移与热力耦合失效
而在电迁移抑制方面，现有研究发现影响寿命的关键因素不再仅限于工艺电流密度，其中电镀铜晶粒组织对孔洞成形与扩展也有着重要影响。CHEN等通过构建细晶粒-纳米孪晶复合铜结构来提升微结构稳定性与耐蚀性，使其在相同应力条件下的电迁移寿命提升至常规粗晶铜的约2.9倍，并在对比测试中得出寿命由约124h提升至约 192h 的结果。如图22展示了粗铜与纳米孪晶铜电迁移后的形貌对比。研究结果显示，提高铜晶粒择优取向、降低高角度晶界比例可削弱晶界快速扩散通道，从而延缓孔洞的形成与扩展；同时引入纳米孪晶等结构也有助于提高扩散势垒并降低寿命离散性。
另一方面，微细线条对表面与线边缺陷的敏感也会进一步衍生出电迁移可靠性问题。BERNT等指出去种子层刻蚀引入的侧向侵蚀与表面粗化会改变局部电流分布，使孔洞更容易在特定位置形成并沿线边扩展。为解决此问题，其将传统需要1000-4000Å的PVD Cu种子层减薄到约 200Å，再按常规湿法去种子层与去阻挡层流程处理，此举从源头缩短了铜种子层刻蚀时间，减少了侧壁材料损失并提升了截面积一致性。在 300mm 测试片上，他们实现了在 200Å 超薄种子层上的均匀电镀，实现了约 5% 的片内均匀性，并给出了 2/2μm 特征尺寸下侧壁损失量约 0.1μm 每侧的测量结果，证明了薄种子层方案在细线RDL工艺中的潜在优势。
除电迁移外，玻璃基RDL的另一类可靠性问题来自温度循环条件下的界面稳定性与应力变化。尽管玻璃基板本体的热尺寸稳定性较好，但多层RDL往往依赖PI或感光介电材料实现层间绝缘，而其中铜、聚合物与玻璃之间的热膨胀系数及模量差异会在退火、层压与温度循环过程中引入残余应力与翘曲，并进一步影响RDL的多层对准、界面粘附与裂纹扩展。因此，在工艺前应将材料的选型与热负载条件放在一起考虑。为解决这一难题，OKAMOTO等开发了一种低残余应力干膜PDM（CTE 30~35×10⁻⁶ K⁻¹），在 5μm 膜内光刻 3μm 微通孔并实现 2μm/2μm 铜线；试验结果显示含 400‰ 通孔的菊花链在 -55/125°C 温度、循环1000次后电阻保持稳定，如图23所示。
图23 低残余应力干膜抗热循环负载效果
来源：贾照伟，王其强，吴勐，等.玻璃基先进封装关键电镀工艺及其电镀质量控制综述[J].电子与封装,2026,26(7):070009. 侵删
