利用超短脉冲激光器技术制作TGV

金属化穿孔玻璃通孔（TGV）是嵌入电子器件玻璃基板中的高密度高宽弦比垂直互连，通过多层电路集成实现复杂的结构设计。TGV允许比水平路径更短的电路径，这对持续的微型化及微电子所需的功率密度至关重要。与电化学放电加工、超声波钻孔、粉末喷射和机械钻孔等其他蚀刻方法一起，激光钻孔是玻璃材料中穿孔成型最广泛使用的技术。在大多数情况下，脉冲CO₂使用波长分别为λ = 10,600 nm和193 nm的激光和准分子激光源。

近年来，脉冲持续时间从数十皮秒到飞秒不等的超短脉冲（USP）激光器因其特殊的激光材料相互作用，在激光玻璃钻孔应用中变得特别受关注。尽管玻璃在可见光谱范围内的吸收率较低，但短脉冲持续时间使得通过多光子吸收形成TGV成为可能。由于所谓的冷消融工艺，激光微加工中焦径小且重复率高的热效应可以忽略不计。

为克服直接激光钻孔在TGV制造中存在的挑战，如加工速度缓慢和微裂纹形成，激光加工后通常会进行刻蚀步骤。选择性激光诱导蚀刻（SLE）采用创新的结合，结合基于USP激光的烧蚀或修饰，以及随后使用KOH或HF等溶剂进行湿式蚀刻工艺，以产生小而高纵横比的通孔，从而在高速处理下生成具有优良侧壁质量的无裂纹孔。然而，在使用SLE工艺的TGV生产中，通量直接取决于先前激光烧蚀的孔数，所施用的蚀刻溶液对环境可持续性产生负面影响。还应注意，尽管激光改性区域蚀刻速度更快，但溶液会攻击整个玻璃基材，这意味着初始材料成本更高，且工艺应用受限。因此，单级USP激光钻井工艺始终更受青睐，这对于低密度玻璃核心封装应用尤其有趣，其TGV密度通常低于几百vias/cm²例如在微机电系统（MEMS）技术、片上实验室（LoC）或微流控系统中。 

 一、实验 

激光钻孔的实验研究使用USP激光器，发射波长λ=515nm，激光脉冲重复率为 𝑓𝑝= 100 kHz。经过束流扩展器后，圆偏振激光通过一个远心F-Theta透镜聚焦，焦距为 f= 100 mm，激光聚焦直径为 d= 16.5 μm(1/e²)，其测量方法是用CMOS图像传感器，像素尺寸为1.45μm。激光聚焦点的位置被设定在玻璃基底表面，在激光钻孔实验中不会发生变化。用于激光在焦平面内的灵活定位，采用二维振镜扫描仪，见图1（a）。

图1 利用发射为绿色光谱范围的USP激光器，在BF33玻璃基板上进行激光钻孔TGV的实验研究和评估。（a）用于激光钻孔的光学装置。（b）应用激光钻探策略。（c）TGV截面示意图，显示进出口直径及锥角。

 二、结果与讨论 

1. TGV激光钻探质量

1）激光脉冲持续时间的影响

为了确定不同激光脉冲持续时间对直径500μm的TGV激光钻孔质量的影响，实验研究中使用了20 μJ和30 μJ的不同激光脉冲能量，以及110至150次的多次通过。

图2 利用光学显微镜评估激光钻孔直径500μm的TGV的进出口直径及锥度角，以适应不同激光脉冲能量和激光脉冲持续时间。请注意，每个值代表三次测量的平均值及其标准差。（a） 脉冲能量为20μJ时的直径。（b） 脉冲能量为30μJ时的直径。（c）减量。（d）TGV钻探质量比较。

由实验得知，通过增加通过次数和30 μJ的激光脉冲能量，可以实现更小的锥度角。一般来说，背面烧蚀与激光束从侧壁折射、烧蚀边缘的绕射以及玻璃前后表面之间的干涉有关。在使用飞秒激光脉冲进行TGV形成过程的实验中，由于脉冲峰值强度显著高于皮秒激光脉冲持续时间，BF33玻璃背面发生了烧蚀。

2）孔径与穿孔次数

为了评估未来玻璃芯包装中TGV制造工艺扫描策略的潜力和灵活性，孔径在100μm至400μm之间进行了调整。根据TGV直径的制造锥角，使用20 μJ和25 μJ的激光脉冲能量，经过150次，显示在图3（a）中。

图3 利用光学显微镜评估激光钻孔TGV锥度角，取决于激光脉冲能量、孔径和通过次数。请注意，每个值代表三次测量的平均值及其标准差。（a）孔径。（b）传递次数。（c）光学显微镜。（d）快速眼动成像（REM）。

总体而言，不同孔径实验中未发生裂纹或背面烧蚀，即使是小型TGV也能实现高质量和高圆度的孔。在所有孔径的孔径下，出口孔周围也观察到一个小且恒定的热影响区，尽管由于孔内玻璃重新沉积到周围材料中，仅在直径300μm和400μm时可见。

2. 包装密度

在TGV制造过程中及之后，材料中的裂纹和激光诱发应力对玻璃基封装中电气互连器的性能和可靠性有显著影响。因此，按照所提出的扫描策略，制造了10 x 7 TGVs阵列，间距为140 μm至260 μm，孔径为125 μm，并利用光学显微镜和成像偏振法分析这些关键参数。

图4 比较BF33玻璃基板中孔径125μm的孔阵列，以及不同孔距在裂纹形成和残余应力方面的差异，利用光学显微镜（上）和成像偏振法（下）进行比较。

从应力分析显示，激光诱导的应力主要局限于TGV空穴阵列之间的空间和边缘。

小孔径的TGV空间间裂纹形成是激光诱发应力的结果，这又归因于多激光扫描和BF33玻璃的材料特异性特性的结合。即使是使用超短激光脉冲进行玻璃烧蚀，烧蚀阈值以下仍有少量激光脉冲能量以热量形式残留在玻璃中。如果激光钻孔策略多重扫描之间的时间间隔不足以使热量散逸到周围材料中，热量会随时间积累。散热主要由热导率决定，所用玻璃的热导率为1.2 W/（m⋅K），参见表2。在最小孔距的激光钻孔中，单个TGV之间仅约35μm的残余玻璃壁内局部快速积累热量，导致这些区域产生高热应力。一旦应力超过一定水平，钻孔间隙会制造裂纹以缓解激光引起的应力，见左上图4。由于在180μm的孔间距下未观察到裂纹，因此假设未处理且无应力的BF33玻璃基底中激光诱发应力的临界值大于测得的最大应力20.4MPa。

表2 BF33玻璃基底的性质

3. 热循环与冲击

热循环和冲击测试中使用了10×7孔、TGV直径125μm、孔距180μm的阵列进行实验。同样分析了5000个最大应力值的最大值和平均值，以比较残余应力。得知热循环后观察到无裂纹且残余应力显著变化。

图5 在高温测试后，TGV直径为125μm的孔阵列残余应力评估，温度可达950°。（a）最大和平均残余应力。（b）光学显微镜和成像偏振测量。

采用多路径扫描策略制造的TGV激光钻探时间，取决于孔径和通行次数，如图6所示。可以明显看出，每个钻孔的总钻探时间随着孔径和通查次数的增加显著增加。

图6 利用多径扫描策略评估不同TGV直径下的激光钻探时间，取决于经过次数。请注意，计算中不包括2D电流计扫描仪在单个扫描线和孔位之间的跳跃时间。

总体而言，多径扫描策略在高密度TGV包装工业中的所有环境条件下的适用性已通过实现小孔距和高热循环抗冲击性，得到了原则性的验证。虽然小孔径钻孔时间可低至0.28秒，但较大孔径钻探时间无法满足电子工业的需求。

 三、结论 

本文探讨了激光脉冲持续时间、激光脉冲能量和通过次数对基于玻璃包装的BF 33玻璃基底中TGV钻孔质量的影响，这些激光器使用了绿色光谱范围的超短脉冲激光器发射。除了锥度角度的优化外，还特别关注不同孔径和螺距激光钻孔后裂纹形成及残余应力。虽然在飞秒范围内观察到激光脉冲持续时间较小的锥度角，但背面烧蚀和裂纹形成限制了钻孔质量。相比之下，使用5 ps的激光脉冲持续时间和25 μJ的激光脉冲能量，对于孔径125微米、最小孔距180 μm的TGV阵列，钻孔质量较高，且通过增加通路次数可将锥度角降至7.3±0.1°。总体而言，即使在热循环和温度冲击（温度高达950°）后，这些孔阵列中也未观察到裂纹形成，展示了激光钻孔策略在玻璃基岩心封装中TGV制造的巨大潜力。

来源：Fabrication and analysis of through-glass vias for glass-based electronic packaging using an ultrashort pulsed laser，侵删

https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2025.109106

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