TGV工艺挑战与全过程良率控制

对更高性能的追求正促使一些先进封装制造商从传统的有机基板转向玻璃芯基板，这种转变带来了诸多优势。与有机基板相比，玻璃芯基板具有更优异的机械强度，更适合大尺寸封装，提供更佳的电气性能，并且能够满足1.5µm及以下的新型线宽/间距要求，从而支持先进逻辑节点和高性能封装的高密度互连。

图 1：有机和玻璃芯基板的发展路线图

然而，玻璃基板目前还无法立即取代有机基板，成为先进封装基板的首选材料。得益于一系列创新技术，有机基板在先进封装领域仍将保持其竞争力。尽管如此，许多制造商现在就开始研发玻璃基板，而不是等待有机基板达到其技术瓶颈。

为了优化从有机基板到玻璃基板的过渡，互连技术也在发生变化。

玻璃通孔 (TGV) 是贯穿玻璃基板的关键垂直电气连接。它们需要超高精度的加工，这带来了诸多必须克服的障碍。毕竟，玻璃很脆，这不仅给操作带来了挑战，也给整个制造过程中带来了许多其他潜在问题。从面板上的激光改性到湿法蚀刻、金属化和平面化，每一步都可能出现各种误差，包括裂纹、关键尺寸偏差、碎屑清除不彻底、空隙、过填充和过度抛光（图 2）。裂纹尤其棘手。工艺早期出现的小裂纹有可能在后期发展成更大的、甚至可能是“致命”的缺陷，从而影响最终产品的性能和可靠性。

图 2. TGV 缺陷示例 (a) TGV 缺失，(b) TGV 不完整，(c) 金属化后 TGV 裂纹。

这些TGV工艺控制挑战不仅限于裂纹。TGV的位置精度对于玻璃基板正反两面之间可靠的电气连接至关重要。即使是轻微的偏差也可能导致信号完整性问题或器件失效。此外，通孔的形状和尺寸也是需要关注的重点；因此，这些通孔的关键尺寸（CD）必须严格控制。TGV的顶部、底部和腰部直径之间的关系决定了通孔的轮廓。此外，如果侧壁过于陡峭或凹陷（底部较窄），则会影响电镀工艺，导致通孔金属填充不完整或出现空隙，从而影响最终器件的电信号性能和可靠性。

如今，制造商们正采用多种最佳实践来优化TGV工艺。在进料质量控制方面，正确的工艺控制包括识别进料玻璃基板表面或内部的任何缺陷，并确定玻璃的厚度均匀性。在TGV制造工艺的每个步骤之后，测量每个步骤后的关键尺寸至关重要。控制这些关键尺寸对于保持最终产品的完整性和优化良率至关重要。

图 3：TGV 开发过程

本文将详细介绍整个TGV制造流程，从裸玻璃面板开始，逐步讲解通孔的制作、TGV镀铜以及TGV化学机械抛光（图3）。在讨论该流程的同时，我们还将探讨制造商在每个步骤中面临的挑战，并重点介绍一种用于制造通孔的独特超快激光钻孔技术——激光诱导深蚀刻（LIDE® ）。之后，将介绍能够帮助制造商实现并维持高产量生产的工艺控制解决方案。

TGV制造：每一步都至关重要

TGV的制造始于一块无缺陷的玻璃面板。进料玻璃面板上的缺陷会随着TGV制造工艺的推进而不断累积。即使是裂纹、夹杂物、划痕或表面颗粒等微小缺陷，也可能在制造过程中产生，最终导致灾难性故障。此外，光刻胶涂层缺陷、单层有机残留物以及涂层厚度变化也会导致严重的工艺控制问题。所有这些问题在TGV制造中尤为棘手，因为TGV制造对精度和结构完整性的要求极高。

此外，玻璃面板厚度的均匀性至关重要。玻璃芯基板厚度不均匀会显著影响TGV的制造和可靠性。由于玻璃厚度变化，通孔形成过程中的深度控制可能变得不稳定，导致通孔不完整或过度蚀刻，例如，增加通孔腰部直径的变化，从而影响最终器件的性能。另一个主要问题是：基板厚度不均匀会影响表面平整度，而表面平整度对于后续的制造步骤（例如光刻、焊球和芯片键合）至关重要。

完成上述步骤后，面板将采用湿化学和等离子方法进行彻底清洗，以去除表面污染物。然而，这一步骤面临诸多挑战。如果颗粒污染物未能完全清除，则可能影响激光改性或干扰后续层的附着力。此外，任何残留的表面粗糙度都可能对光刻和金属化等下游工艺产生负面影响，进而可能损害精细特征的精度。

下一步是通孔形成阶段。业界已采用多种玻璃加工技术，包括机械钻孔、直接激光烧蚀以及基于光刻技术的感光玻璃加工，随后进行各向同性湿法刻蚀或深反应离子刻蚀 (DRIE)。LPKF Laser and Electronics SE 开发了一种新型混合工艺，该工艺结合了激光曝光和选择性湿化学刻蚀：激光诱导深刻蚀 (LIDE)。

了解用于通孔形成的LIDE技术

LIDE 技术是一种两步制造方法，旨在通过激光改性和选择性湿法化学刻蚀相结合，实现先进半导体封装用玻璃基板的大批量生产。

首先，将超短脉冲激光聚焦到玻璃内部，沿预定路径诱导材料的化学和物理性质发生非烧蚀性改变。这种高度局部化的改变通常宽度小于3µm，覆盖玻璃的整个厚度，且不会去除材料，也不会引入微裂纹、热应力或碎屑。接下来，将玻璃面板浸入化学蚀刻剂中，例如氢氟酸或热碱性溶液。激光改性区域的蚀刻速度比未改性玻璃快100倍，从而能够形成具有光滑侧壁和最小锥度的深而窄的通孔。

这种方法能够精确地形成TGV，最大限度地减少颗粒产生，避免热影响区，并实现高度均匀的直径（图4）。通过避免熔体喷射和抑制微裂纹，该技术有助于确保机械完整性和洁净度。

图 4. 带有 TGV 的玻璃面板。（来源：LPKF）

后处理：接下来的关键步骤

通孔形成后，基板需进行清洗和表面处理。这包括湿法化学刻蚀和等离子处理，以去除杂质并为金属化做好准备。此步骤必须精细控制，以避免热损伤。常见的挑战包括控制热输入和杂质排出。潜在缺陷包括热应力引起的微裂纹和不规则的通孔轮廓，这些都会使后续金属沉积复杂化。此外，杂质清除不彻底会导致电镀过程中出现空隙，从而影响通孔填充的完整性；而过度刻蚀则会损坏通孔壁或降低后续层的附着力，这两种情况都可能导致最终器件的可靠性问题。

接下来是籽晶层沉积步骤。在此步骤中，通常采用溅射或化学镀法沉积一层薄的导电层，例如Ti/Cu或Cr/Cu。该导电层作为电镀的基础。此阶段的挑战在于如何在深宽比高的通孔内实现均匀覆盖，这对于确保铜填充的完整性和可靠性至关重要。表面处理不当或受到污染也可能导致粘附失效，进而可能表现为器件工作过程中的分层或电气不连续。

接下来，采用电镀工艺将铜沉积到通孔中，完成通孔填充。这一步骤必须严格控制，以避免铜填充层中出现空隙或接缝等常见缺陷，这些缺陷会影响导电性和机械强度。过度电镀也是一个需要关注的问题，因为它会造成表面形貌问题，使后续的平坦化和图案化步骤变得复杂。

通孔填充完成后，采用化学机械抛光 (CMP) 进行表面平坦化处理。此步骤可去除多余的铜和籽晶层，从而形成平整的表面。然而，CMP 也会带来一些挑战。如果整个面板上的工艺不均匀，可能会出现过度凹陷或铜结构腐蚀的情况。不均匀的平坦化会导致层厚度变化，进而影响最终器件的性能和可靠性。

接下来是重分布层（RDL）的形成。这包括光刻、金属沉积和蚀刻，以在玻璃芯的侧面形成必要的互连图案。此步骤对对准和图案化精度要求极高。与下方过孔的未对准会导致开路或短路，而图案化工艺中的缺陷则会导致电气故障或良率降低。

随着单个芯片的最终分离，整个流程接近尾声。残留污染物，例如离子残留物，会影响芯片的长期可靠性，尤其是在高性能应用中。此外，玻璃的脆性使其在分离过程中容易开裂，这可能导致良率损失或潜在的可靠性问题。

从始至终的过程控制解决方案

在TGV制造工艺开始之前，必须确保玻璃面板无夹杂缺陷或裂纹。一种专为透明、半透明和不透明基材设计的激光扫描和光学系统，具有亚纳米级灵敏度和全表面检测能力，可用于检测表面和边缘缺陷，包括颗粒、划痕、凹坑、污渍和碎屑，以及单层有机残留物。通过使用多种检测模式——包括偏振、斜率、明场和暗场——制造商可以实现亚纳米级的检测灵敏度。除了检测裸玻璃面板外，在开始TGV工艺之前测量玻璃厚度也至关重要。玻璃面板厚度的均匀性是关键。

在制造开始前对玻璃进行检查并测量其厚度固然重要，但在TGV的制造和金属化过程中，许多特定步骤也需要进行关键尺寸（CD）计量和缺陷检测。TGV成型后，通常需要进行后处理清洗以去除碎屑。在此步骤中，采用亚微米级自动光学检测来检查残留颗粒、微裂纹或表面异常，这些缺陷可能会影响后续的金属沉积。

除了缺陷检测外，制造商还需要测量通孔顶部、腰部和底部的临界尺寸 (CD)，以及通孔相对于设计的位置精度。高分辨率、高通量的光学面板检测和计量系统可用于测量面板上每个玻璃微孔 (TGV) 的这些参数，从而实现对激光和蚀刻工艺的精确监控。此外，检测激光改性变化、蚀刻不完全、单个 TGV 上的微裂纹、多个 TGV 之间的较大裂纹以及玻璃表面的凹坑和凹痕的能力对于工艺优化至关重要。

在金属化和平面化工序中，检测系统可以持续监测玻璃裂纹和残留物等缺陷。然而，还需要进行三维计量测量，以监测镀层过厚/过薄、抛光过度/不足以及表面粗糙度，因为这些因素都会影响整体电气性能。集成三维计量功能的自动化检测系统是满足这些工艺控制需求的理想一体化解决方案。

图 5. 由 Onto Innovation 的Discover® 软件生成的 TGV CD 分布和分析热图。

最后，在检测和良率分析阶段，亚微米级检测工具与良率管理软件的集成使用，能够完美支持高通量检测和高级数据分析。由于面板上可能存在数百万个TGV（热导率传感器），因此能够在短时间内分析大量的检测和计量数据至关重要。良率管理软件的使用可以缩短分析时间，识别系统性缺陷，并将工艺参数与良率结果关联起来（图5）。此外，制造商可以通过自动化缺陷分类、跨系统数据集成以及实现实时反馈，克服关键挑战，并在先进封装应用中实现更高的效率和良率。自动化缺陷分类软件无需人工审核，并提供基于共识的决策，因此可以帮助工程师快速识别根本原因并评估芯片级质量。此外，通过强大的反馈回路将缺陷数据输入分析软件，制造商可以从流程开始到结束，对整个流程进行实时调整。

图 6：全面板工艺监控包括对来料玻璃面板进行全表面污染和缺陷检测（PrimaScan™ P 系统），以及对玻璃钢导气管和其他缺陷进行计量和检测（Firefly® 系统）。良率管理软件可加快分析速度。

这些解决方案共同构成了一个全面的生态系统，支持整个 TGV 开发过程（图 6），使制造商能够克服关键挑战，并在先进封装应用中实现更高的效率和产量。

来源：Onto Innovation，侵删

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