玻璃基板封装可靠性

玻璃基板技术在多个方面显著区别于传统封装基板。首先，高性能芯片功能愈发复杂，封装面积不断扩大，对应的基板尺寸也逐步迈向260 mm × 260 mm乃至更大规格，以满足系统级集成需求。其次，为了适应高速传输与高密度互连的发展趋势，布线线宽/线距朝着2 μm/2 μm甚至更小的尺度演进，对制造精度提出了更高要求。与此同时，玻璃基板正朝着集成更多芯片与无源器件的方向推进，支持更复杂的异构集成系统。因此，玻璃基板的关键特征可以概括为大尺寸、细间距和高集成度。在此基础上，其超大面积结构带来了易开裂等力学可靠性挑战，而布线精细化也对介质材料的介电性能、工艺窗口及结构设计提出了新的要求，亟需发展创新材料体系与先进制造技术以实现可靠封装。

1. 玻璃基板中ABF开裂问题

在多层基板结构中，增层介质材料作为上下金属布线之间的绝缘层，其界面结合强度对结构稳定性至关重要。若该材料与下层金属的附着力不足，基板在制造或后续的可靠性测试中，如遇温度波动或湿度变化，易产生爆板、界面剥离等失效现象；若其与上层金属结合力较弱，则在图形定义与转移过程中容易出现线路塌陷、金属层脱落等问题，导致多层互连结构无法顺利完成。

为增强电镀铜与ABF类聚合物干膜之间的界面黏附性能，HSU等提出通过退火处理促进铜晶粒生长，同时诱导Cu₂O生成，并促使铜与ABF发生一定程度的界面互扩散，退火处理后ABF和铜层界面情况如图5所示，从而显著提升二者之间的结合强度。此外，ABF在制程中也常发生开裂问题，主要源于固化反应引起的体积变化以及与基材之间的热膨胀失配。在冷却阶段，ABF与核心材料间CTE差异所产生的残余应力可能导致裂纹萌生。为此，YE等优化退火工艺，将处理温度控制在低于ABF玻璃化转变温度Tg范围内，从而有效降低热膨胀系数并减小应力集中。随着未反应组分逐步渗入并释放应力，即使在后续除胶清洗阶段受到化学腐蚀，表面仍不会发生宏观裂解，ABF层的完整性明显提升，图6为基板上ABF开裂失效示意图。

基板翘曲主要源于其内部各组成材料CTE的差异。在制造过程中，不同材料因受热胀冷缩程度不同而产生不均匀的热应变，从而在界面处累积机械应力，最终导致板体发生翘曲，表现为表面不平整的变形现象。严重翘曲将带来2类关键问题：其一是影响封装工艺的可行性，特别是在倒装芯片过程中，翘曲过大会导致部分焊球无法可靠接触焊盘，甚至出现短路桥接，造成封装失败；其二是即便完成封装，翘曲引起的内部应力也可能在芯片与基板之间形成残余形变，进而诱发焊点开裂、芯片破损等可靠性隐患。虽然翘曲具有一定的材料依赖性和工艺相关的不确定性，但通过优化结构设计与材料选择，仍可在一定程度上实现对翘曲的有效控制。玻璃基板翘曲的不确定性主要体现于以下几个方面。

1）ABF等增层介质以有机树脂为主体，其在热加工过程中需经历从半固化到完全固化的化学转变。在这一过程中，分子间交联可能存在不完全现象，而固化行为又会随着温度变化而继续演化，导致最终物性表现存在差异。各制造商所采用的固化参数不同，干膜层的力学性能与热响应特性也会有所差异，从而造成翘曲行为的不一致。

2）吸湿性亦是翘曲变形的影响因素之一。层压材料普遍具有一定的吸水率，制程完成后的基板在暴露于空气时会逐渐吸收环境水汽。这些水分在材料内部扩散引起尺寸膨胀，从而干扰原有应力平衡，导致额外翘曲。因此，封装前通常需对基板进行预烘烤处理，以排除吸附水分，增强尺寸与形变稳定性。然而，不同厂家的基板在存储条件和时间上存在差异，导致其吸湿程度各异，也会在实际应用中造成翘曲幅度的变化。

3）玻璃材料在加工过程中（如切割、抛光或TGV激光成孔后）可能存在初始残余应力，若未完全释放或分布不均，将导致后续制程中的翘曲行为产生不确定性。此外，部分高硼硅或无碱玻璃存在各向异性应力分布，也会影响翘曲趋势。

JIANG等指出，相较于杨氏模量，热膨胀系数对基板翘曲的影响更为显著。特别是在基板核心材料与聚合物层压介质之间的相互作用中，优化聚合物材料的CTE参数是改善翘曲性能的更有效路径。基板核心层材料的CTE对基板翘曲的影响如图7所示，不同核心材料的热膨胀系数显著影响最终翘曲程度。基于上述结论，研究进一步展示了采用低CTE的核心层材料并搭配高附着力聚合物层压材料的结构组合，其有助于显著降低整体翘曲水平，从而提升封装结构的热机械稳定性，基板优化聚合物材料前后的翘曲值比较如图8所示。

佐治亚理工学院将含有GPU和HBM的芯片集成在玻璃基板中，图9为基于大尺寸的玻璃基板封装示意图，通过研究大尺寸玻璃封装的可靠性和翘曲，得到最优玻璃CTE范围在2.3~3.4内，芯板厚度为400~600 µm，同时设计并制备了测试芯片，通过X射线检测出芯片电气连接优良，含有GPU和HBM芯片的封装体如图10所示。

在玻璃基板制造过程中，垂直高深宽比通孔（如TGV）结构的金属填充是实现双面互连的关键步骤。然而，由于玻璃本身为非导电材料，通孔侧壁难以实现均匀电镀，同时玻璃表面润湿性差、电极结构复杂，这些因素使得玻璃基板在电镀过程中更容易出现孔内空洞、侧壁填充不足等问题，导致电镀质量不稳定。因此，针对玻璃基板结构开发专用高性能电镀药水，成为该技术发展亟需突破的关键环节之一。

已有研究对药水成分进行优化以提升垂直电镀的效率和可靠性。如KIM等在传统抑制剂 PEG-PPG-SPS-I中引入硫脲，通过增强PEG-PPG分子的吸附性和对孔内侧壁电镀的抑制能力，不仅显著提高了电镀效率，还将填充时间减少了一半。并且，KIM等还提出进一步将溶液中的碘离子替换为溴离子，建立了更加稳定的抑制层，解决了流场扰动对药水性能的影响，使电镀过程更可控，从而有效缩短填充时间并改善金属沉积形貌。这些研究结果表明，电镀药水的配方优化是实现高质量玻璃基板互连结构的核心工艺之一。

DNP公司的FUJIMOTO等开发了不同金属形貌的玻璃基板（尺寸为550 mm×650 mm），发现直线型通孔有利于抑制热生成，而X型通孔有利于缓解热应力，玻璃通孔电镀后形貌如图11所示，并通过芯片集成到晶圆(COW)结构进行电性测试，在30 GHz时，TGV通孔的传输损耗极低，全通孔为0.23 dB，部分通孔为0.34 dB，保形填充通孔为0.45 dB。

玻璃基板封装在面向高密度和高性能应用的过程中，暴露出一系列典型的可靠性问题。ABF层在玻璃表面易出现界面脱黏或开裂。此外，TGV金属化过程中可能出现的孔内空洞、金属层断裂或界面污染也会影响互连可靠性。上述问题体现了玻璃基板在材料匹配、结构设计及制程控制等方面的复杂性和敏感性，是实现高可靠性封装必须重点关注的关键环节。

以上重点总结玻璃基板制造与封装过程中的翘曲、开裂等热机械失效问题,并对其潜在成因进行了剖析。整体来看，玻璃基板封装能够较好地满足高端芯片I/O密度增长和高可靠性等要求，有望得到更多的关注和研究。