基于TGV工艺的三维集成封装技术研究

三维集成封装以其优异的综合性能满足了先进封装市场对电子封装产品微型化、高度集成化、多功能化的迫切发展需求，三维集成封装近年来成为先进封装的主要发展方向。大多数三维集成采用硅作为衬底，近年来美国佐治亚理工大学等研究机构采用玻璃作为衬底实现三维集成，基于玻璃通孔制造的三维互连（TGV）技术中由于其高密度互连和低损耗传输特性的优势使三维集成和系统级封装技术得到了迅速发展，通过采用 TGV 技术，利用新设计、新器件以及新工艺可以构建小型化、一体化的三维射频微系统，在 IO 密度更高、节距更小的芯片与基板之间形成高可靠的互连，实现片上无源器件、高密度铜互连及芯片的异构集成。

玻璃基板材料中没有自由移动的电荷，介电性能优良，高频损耗低、传输特性好，适用于高频应用，TGV 技术无需制作绝缘层，降低了工艺复杂度和加工成本，玻璃基板及 TGV 相关技术在光通信、射频、微波、微机电系统、微流体器件和三维集成领域有着广泛的应用前景。然而，TGV 工艺中的玻璃基板高精度打孔技术、减薄抛光工艺、RDL金属层/介质层多层布线等关键技术是 TGV 技术工程化的基础。

基于此，本文针对高纯石英玻璃基板，设计合理工艺流程，制备了不同孔径的通孔结构，孔径范围 30~190μm，深宽比范围 1.6:1~10:1，在深宽比不超过 6:1的情况下，TGV孔金属化良好，通过三维封装基板电性能测试，对TGV 基板垂直互连进行了验证。

1.1 试验材料

文中采用的玻璃基板为康宁公司的石英玻璃基板（型号为 HPFS 7980），尺寸为 50.8mm x 50.8mm x 0.33mm，总厚度变化（Total Thickniss Variation,TTV）不大于 10μm，轮廓算术平均偏差 Ra≤5 nm，厚度一致性良好、表面光洁度高。表1给出了石英基板具体的力学、电学、热学性能。

1.2 工艺过程

本文所需制备的 TGV 特征尺寸为孔径 50 μm、深宽比 6:1，深宽比大、精度要求高，为实现石英玻璃基板的精密打孔、RDL金属/介质多层布线，结合激光加工、薄膜工艺在微细加工技术领域的优势，合理设计了工艺流程图，如图1所示。

图1 基于石英基板的 TGV 工艺路线

2.1 TGV 通孔加工与通孔率优化

玻璃基板 TGV 通孔加工方法包括机械加工、刻蚀加工、激光加工3类。根据加工方法的不同，玻璃基板打孔的特征尺寸(深宽比、孔径、节距)差异很大，三维集成领域中的 TGV 阵列较密集，孔径节距小、深宽比大，3种加工方式各有优缺点，单一加工方法难以实现玻璃基片高深宽比、高精度、快速加工的需求，需依据玻璃基板特点制定相应的工艺方案。

本文采用激光诱导刻蚀技术加工 TGV 通孔，如图2所示，然后采用湿法刻蚀方式将激光改性区域刻蚀为具有一定深宽比的 TGV 通孔。利用氢氟酸 (HF)作为石英湿法刻蚀的腐蚀液。

图2 激光改性、湿法刻蚀示意图

在实际加工过程中，湿法刻蚀的精度较差，石英基板上 TGV 阵列通孔存在一定数量孔不通的问题，如图3(a)所示。为提高湿法刻蚀的速率、均匀性,需要调整氢氟酸溶液浓度和使用条件。

经优化试验，在原20%氢氟酸溶液中加入 5%NH₄F 添加剂并采用水浴加热40℃的方式能有效提高湿法刻蚀的刻蚀速率和均匀性，能实现 TGV 通孔批量加工，通孔率由此前的 30%以下提高到 99%以上，如图3(b)所示。通过对激光加工后的石英基片进行湿法刻蚀，刻蚀后用去离子水进行超声清洗，清洗掉残余在孔壁上的氢氟酸。

图3 湿法刻蚀后的 TGV 通孔样件

2.2 石英基板表面处理

由于湿法刻蚀存在一定的不均匀性，石英基板局部区域 TGV 孔边缘存在一定损伤、基板表面存在一定“过刻蚀”现象，如图4(a)所示，对“过刻蚀”现象进行进一步观察，可以发现，基板表面局部区域存在深度 10 wm 左右的腐蚀,如图4(b)所示，局部孔径处有5~10μm 的破损，如图4(c)所示。出现这种微观缺陷的原因一方面可能是材料纯度、组织局部不均一，另一方面是湿法刻蚀溶液在与基板反应过程中局部浓度变化导致刻蚀速度较大，对基板造成了一定损伤，以上微观缺陷会影响后道 TGV 金属化的互连通断及可靠性，因此，需要通过减薄、抛光等表面处理工艺提高基板表面质量，恢复石英基板均一、无微观缺陷的表面状态。

图4 湿法刻蚀后 TGV 通孔样件局部缺陷

基于以上分析，本文采用减薄、抛光工艺对石英基板表面进行处理。减薄工艺方面能去除前道湿法刻蚀的微观缺陷，还能隆低石英基板厚度到需要的设计厚度，基板减薄形貌如图5(a)所示，呈现典型的磨削“型沟”痕迹，微观起伏大，存在明显划痕，基板表面需进一步处理。

图5 减薄、抛光后石英基板微观形貌

抛光采用化学机械抛光(CMP)方式进行，抛光垫为多孔聚氨酯抛光垫，抛光液为 Si0₂抛光液，磨料粒径较细(纳米量级)，利用碱性 SiO₂胶体抛光具有典型的 CMP 特点对基板表面进行微量抛光。抛光后的石英基板如图5所示呈现典型的光学干涉条纹，具有良好的表面质量。

2.3 孔金属化及 RDL 附着力优化

在完成高深宽比 TGV 通孔加工后，为了具备良好的垂直互连性能，本文采用薄膜工艺对 TGV 通孔进行孔金属化及 RDL 布线，薄膜工艺(Ti-Cu-Au 膜层体系)涉及种子层溅射、光刻、图形电镀、湿法腐蚀等工序，对 TGV 结构有一定要求。

基板厚度一定的条件下，TGV 孔径越小，深宽比越大，孔金属化难度越大，如图6所示为不同孔径金属化的效果，可以看出当孔径减小至 40μm 时，孔金属化出现明显断路，此时深宽比为 7.5:1，孔径进一步缩小；当孔径为 30μm 时，深宽比为 10:1，孔内金属断路面积进一步扩大，仅孔口部分实现了金属镀覆；而孔径大于等于 50 μm 时，深宽比不超过 6:1时，孔内金属镀覆完整，孔金属化良好，实现 TGV 垂直互连，分析其原因是深宽比过大，受磁控溅射设备填孔能力限制，孔内侧壁无法形成连续致密的种子层，孔内 TiW、Cu 金属膜层覆盖率低，后续电镀无法在孔内形成连续 Au层，该问题尤其表现在孔中间部位，在湿法腐蚀去除种子层的过程中，TiW、Cu腐蚀液会从 Au 层不连续区域形成“侧蚀”效应，进一步破坏孔内金属膜层，产生断路。

图6 不同深宽比孔金属化剖面图

进一步对孔内形貌进行表征与分析，如图7所示经激光诱导刻蚀制备的 TGV 通孔内壁表面粗糙度为0.1 μm，孔内微观起伏在 0.25 μm 范围，微观形貌无裂纹、碎屑、毛刺等缺陷；经薄膜工艺孔金属化后，受沉积金属层品粒影响，孔内金属层表面粗糙度为 0.3μm，微观起伏在 0.8μm，金属层连续、致密，无针孔、裂纹等微观缺陷，综上所述，合理的 TGV 深宽比、通孔内壁粗糙度较低是 TGV 孔金属化完整的前提。

图7 孔内形貌及微观起伏

为提高金属层与石英基板间膜层的附着力，在进行金属化工艺前需要对石英基板进行前处理。经碱性除油、盐酸和双氧水溶液的前处理后，制备的金属 RDL 导体层存在附着力不牢靠的现象，如图 8(a)所示，膜层剥落。本文结合石英玻璃材料特性及 TGV 前后道工艺的特点，制定除油、微蚀的前处理方案，具体采用丙酮除油去除有机沾污、利用铬酸氧化效应去除基板表面微观颗粒、10%氢氟酸浸泡微蚀基板的前处理工艺，再经薄膜工艺制备的导体层如图8(b)所示，膜层附着良好。为定量考核膜层键合性能，采用 Ф25μm、EL1-2.5%金丝在金属层表面进行键合，然后利用Dage4000拉力测试议，依据 GJB 548B-2005 规定进行破坏性拉力测试，测试结果如表 2所示。

玻璃基片制备的薄膜电路样品均满足金丝键合要求 (最小值>5.0gf、平均值>7.5gf)，断裂失效模式为线弧中间、第一焊点颈部，未出现膜层剥落现象，说明优化后的前处理方式提高了石英基板表面金属层的附着力，满足金丝键合的使用要求。

采用上述 TGV 工艺制备 TGV 三维封装基板TGV 孔径 50μm、孔深 300μm，RDL含有2层 BCB介质层、3层金属布线层(背面接地层)，最小线宽/线距为 20 μm/20μm，此外制作了石英基微波传输线，如图9所示。

图 9 TGV 封装基板与传输线样件

如图 10所示，通过测试结果可以看出S，的仿真与测试结果趋势一致，S₁₂在 1~1.2 GHz的地方出现-2dB的损耗，原因可能是金丝键合之后接负载端口阻抗不匹配，但是仿真与测试总体仍在误差区间内。因此，通过 TGV 工艺在石英玻璃基板上制备三维封装基板，验证在 2~18 GHz电性能与仿真结果总体一致，实现了信号垂直互连与传输。此外在石英基板上制作微波传输线，通过矢量网络测试仪测试传输线的插入损耗，结果表明，扫频范围在 10 MHz~40 GHz 范围内，微波传输线 1mm 单位长度插入损耗小于-0.05 dB，在 24 GHz 频率、1mm 单位长度插入损耗为-0.02 dB，说明基于石英基板的 TGV 封装技术更适合高频高速场合的应用。

图10 互连测试结果

石英基板作为重要的封装基板材料，在高频高密度集成领域有着广阔的应用前景。本文通过研究基于石英基板的 TGV 加工制备工艺方法，结合激光加工与湿法刻蚀的特点，实现了深宽比 10:1的通孔加工：避免了单一激光加工带来的孔边缘飞溅与热影响问题，同时克服了单一湿法刻蚀加工精度与深度不足的问题，在石英封装基板上制备了不同深宽比的 TGV互连结构；深宽比不超过 6:1时，孔内金属层连续、致密，为不同孔径、不同深宽比 TGV 的可靠互连提供了参考，RDL 金属层拉力测试均值达到18.24 gf，满足键合微组装使用要求。通过制备基于 TGV 的三维封装基板测试了 TGV 结构的可靠互连，微波传输线在40GHz 频率范围内的单位长度插入损耗不超过-0.05 dB，信号传输损耗小，证明基于石英基板的 TGV技术在高频高速应用领域有明显优势。

DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2021.0709