高性能封装玻璃基板 TGV 技术的研究现状、挑战与未来展望

TGV 的制备是玻璃基板封装的核心工序，其加工质量直接决定了后续金属化填充的可靠性 及信号传输的完整性。玻璃作为一种典型的高硬度、高脆性材料，在受到外部机械应力或瞬时热 冲击时极易产生微裂纹。因此，成孔技术的研究重点已从早期的暴力物理去除，演进为以能量场 诱导、化学协同刻蚀为特征的精细化加工。图 1 展示了 TGV 技术的四种加工示意图。

1.1 传统机械与物理去除工艺 

传统的机械钻孔技术主要依赖硬质合金或金刚石钻头对玻璃表面进行磨削。由于玻璃的 断裂韧性较低，钻头旋转产生的径向应力极易在孔缘诱发微米级的崩边与深层的放射状裂纹，这不仅限制了孔径的进一步缩小（通常大于 150 m），也显著降低基板的机械强度。喷砂加工通过高压气流驱动磨料粒子冲击玻璃表面，虽然能实现多孔同步加工且成本较低，但其加工精度受 限于磨料粒径的一致性，且成孔后的表面粗糙度较高，难以满足高性能封装对通孔形貌及孔壁平 整度的严苛要求。图 2 与图 3 分别显示了 SUKUMARAN 等人利用传统机械加工和 YANG Z 利用 双面喷砂法制作的玻璃通孔。目前机械加工通孔方法目前在先进封装领域已逐渐边缘化，仅应用于对集成密度要求较低的消费电子部件。

1.2 激光直接消融加工技术

激光直接烧蚀技术是利用激光在极短时间内实现能量高度聚集，从而使玻璃材料发生热物理 气化或光化学键断裂，最终实现通孔加工。该方法无需掩模，具有工艺流程简单、加工灵活性高 等优点，但在实际应用中仍面临较为突出的热损伤问题。由于玻璃材料在较宽波长范围内具 有较高透过率，尤其在可见光波段吸收较弱，因此在激光加工过程中通常需要较高的峰值能量才 能激发非线性吸收效应。为提高直接激光烧蚀成孔效率，常采用红外或紫外波段激光作为加工光 源，例如 CO2激光和 ArF 准分子激光。如图 5 和图 6 所示，分别采用 CO2激光和 ArF 准分子激 光对玻璃进行烧蚀钻孔，图 7 中孔口区域形成较明显的重凝层；采用 ArF 准分子激光制备的通孔也表现出较大的通孔锥度。Joel N. Schrauben 等利用高斯光束皮秒准连续激光在 AF32 玻璃上 实现了孔径接近 10 m 的 TGV 制备，且通孔具有较好的垂直度，如图 7 所示。然而，该方法目 前实现的深径比仍仅约为 10:1，进一步提升通孔深径比仍面临较大挑战。

激光直接烧蚀去除材料的过程中，局部区域易形成显著的热影响区，进而导致孔壁产生微裂 纹、孔口出现重凝堆积等缺陷，降低玻璃基板表面的平整度，影响后续再布线层（RDL）工艺和 TGV 的可靠性。此外，受限于激光束在深孔内部传播时的能量衰减以及加工过程中排渣困难等 因素，激光直接烧蚀制备的通孔通常存在较明显的锥度，难以实现超高深径比直孔结构的加工。 这在一定程度上限制了其在超薄玻璃基板高密度垂直互连中的应用。

1.3 激光诱导深度刻蚀工艺 

激光诱导深度刻蚀（LIDE）被认为是当前实现大尺寸、高密度 TGV 批量制造的最优技术路 径，该工艺采用“先改性、后刻蚀”的两步加工策略。首先利用超短脉冲激光对玻璃内部特 定区域进行超快扫描，使材料局部发生多光子吸收，产生密度的改变或化学键能的弱化，而不直 接造成玻璃材料的完全烧蚀或击穿。随后，将改性后的基板浸入氢氟酸或混合酸（碱）刻蚀 液中。由于改性区域与未改性区域在化学活性上存在显著差异，刻蚀液能够沿激光扫描路径对改 性区域进行快速择优刻蚀，从而形成高质量的通孔或其他三维微结构。依托这一加工机理， LIDE 技术不仅能够实现双曲形通孔、垂直通孔的高质量制备，还可构建矩形槽等多种复杂玻璃 三维结构，如图 8 所示。

与激光直接烧蚀相比，LIDE 过程中玻璃材料并不依赖高温熔融和直接 去除，因此能够有效避免机械应力与热应力引起的裂纹、重凝层及边缘损伤等问题。基于这一优 势，LIDE 技术可制备深径比超过 50∶1、孔壁粗糙度低于 25 nm 的高垂直度通孔，已成为 Intel 等企业推动玻璃基板产业化的重要支撑技术。Liu 等人已基于 LIDE 技术实现最小孔径为 5.29 μm、深径比约为 78.5 的超高深径比玻璃通孔制备，如图 9 所示，进一步验证了该技术在高 密度垂直互连应用中的潜力。

1.4 光敏玻璃诱导成孔技术

光敏玻璃工艺依赖于特殊掺杂（如含有银离子及敏化剂）的感光玻璃材料。其工艺流程包括 掩模辅助紫外曝光、热处理诱导晶化、以及最后的稀酸选择性刻蚀。在热处理阶段，受光照 射的区域会析出细小的硅酸锂等微晶相，这些晶相在稀氢氟酸中的溶解速度远快于玻璃基体，从而实现通孔的化学成型。Zhao 等人用光敏玻璃刻蚀制成的玻璃通孔如图 10 所示。TGV 的最小 直径为 46 m，间距为 60 m，TGV 的深径比可达约 11。与此同时，通过设计不同的掩膜图形， 方形 TGV 也能被较轻易的制造出来。此外，Liang 等系统研究了曝光能量、退火温度及持续 时间对通孔刻蚀效果的影响，并给出了光敏玻璃刻蚀过程的显微镜俯视图，如图 11 所示。

光敏玻璃诱导成孔技术的优势在于可借助类似光刻的方式实现大批量通孔阵列的同步加工，具有通 孔位置精度高、阵列一致性较好等特点。然而，其应用仍受到材料和工艺两方面因素的限制。一 方面，光敏玻璃对特定感光材料依赖较强，材料种类有限，且原材料成本较高；同时，与高纯度 硼硅玻璃或石英玻璃相比，其电学损耗性能相对较差，因此目前更多应用于传感器及特定光电集成领域。另一方面，该工艺通常包含曝光、热处理和选择性湿法刻蚀等多个步骤，整体流 程较长，加工周期较大，难以满足大规模高通量制造需求。此外，工艺过程对曝光能量、热处理温度及时间等参数较为敏感，参数波动易导致结构尺寸精度和加工一致性下降，在大面积或高密 度通孔阵列制备中，其加工效率和成品率仍有进一步提升空间。

1.5 不同工艺的性能评估与选择建议 

综合对比上述工艺可见，玻璃成孔技术正朝着“无损、高深径比、板级自动化”方向快速更迭。干法刻蚀由于刻蚀速率极慢（通常<1 m/min），在大规模生产中经济性不足。LIDE 工艺凭借其在加工精度与产出效率之间的平衡，已成为 2.5D/3D 高级封装的首选方案。未来的技术突破点将聚焦于如何在大尺寸基板上通过多头激光并行改性技术进一步提升 UPH（每小时 产出），并结合在线监测手段实时控制孔形一致性，以应对 AI 芯片对超大规模、高密度玻璃中 介层日益增长的质量要求。为了直观展现各工艺的适用场景，表 1 总结了目前主流 TGV 成孔技 术的关键指标。

在 TGV 成孔工序完成后，如何实现通孔内部的金属化填充及表面的精细布线，是决定玻璃 基板电气连接质量的关键。由于玻璃材料具有极高的化学稳定性和致密的表面结构，其表面能较 低且缺乏活性官能团，导致传统的金属沉积工艺难以在玻璃界面形成强有力的物理或化学结合。因此，TGV 金属化不仅涉及电化学填充动力学的精确控制，更需要在异质界面工程、种子 层附着力增强及应力管理等方面实现突破。图 12 示意性地展示了 TGV 金属化填充与精细 布线工艺。

2.1 种子层制备与界面粘附力增强 

种子层的制备是 TGV 金属化的起始步骤，其质量直接影响后续电镀层的厚度均匀性与结合 力。目前，物理气相沉积（PVD）和化学镀是制备种子层的主流方法。在 PVD 工艺中，通常先 在玻璃孔壁沉积一层薄薄的钛（Ti）或铬（Cr）作为过渡层，利用这些活性金属与玻璃中的氧原 子形成共价键（如 Si—O—Ti），随后再沉积铜（Cu）种子层。这种“过渡层+导电层”的结 构能有效缓解金属与玻璃之间的热膨胀系数（CTE）失配，提升界面的机械可靠性。然而，当 TGV 深径比较大时，PVD 工艺制备的种子层在通孔中心区域往往难以实现连续覆盖，易出现局 部分层，不能完全覆盖整个通孔侧壁。若在此基础上继续进行铜电镀，则可能导致 TGV 内部铜 柱出现空洞甚至分离。

相较而言，化学镀不依赖外加电场，而是通过对玻璃表面进行粗化处理或硅烷偶联剂改性， 使 Pd 等催化活性中心均匀吸附于孔壁表面，进而诱导金属离子发生自催化还原反应，在孔壁 形成连续种子层。相较于 PVD，化学镀在超高深径比通孔（AR>20∶1）的孔壁覆盖连续性方 面具有独特优势，但其废液处理压力大且界面粘附力往往略逊于真空沉积工艺。在 TGV 金属 化过程中，种子层的制备是实现后续铜电镀填充的关键步骤。由于玻璃表面缺乏活性位点，金属 难以直接沉积，因此通常需要通过表面活化或引入粘附层来提高种子层的附着力，如 Ti，Ni 等。Chen 等人研究了退火处理方式和工艺过程对化学镀镍的镀层附着力的影响，实现了 TGV 的金属化，如图 13 所示。龙等人选用银氨体系在深径比 9∶1，孔径为 50 μm 的 TGV 上进行 化学镀银，研究施镀时间和 pH、沉积质量变化量的关系，结果表明最佳施镀时间为 20~30 min。 化学镀银后的 TGV 截面见图 14。

2.2 高深径比通孔的电镀填充

实现 TGV 内部无空洞、无缝隙的铜填充是工艺难点，尤其是针对深径比极高的盲孔或通孔， 电解液在孔内的扩散受限极易导致孔口过早封闭而形成“空洞”。为解决这一问题，目前工业界 普遍采用“底向上”的填充模式，即通过调控电镀液中抑制剂、加速剂和整平剂的协同作用，实 现金属从孔底向上生长的填充机制。具体而言，抑制剂（如聚乙二醇 PEG）通常因分子量较大 优先吸附于孔口，增加局部极化阻力。而加速剂（如有机硫化物 SPS）则能扩散至孔底，促进铜 离子的快速还原。通过动态调节不同添加剂在孔内外的浓度分布，可使孔底沉积速率高于孔 口区域，从而实现由底部向上逐步推进的致密填充。在此基础上，脉冲电镀及周期性换向脉冲电 镀（PPR）技术可进一步改善孔内离子传输和电流分布均匀性；同时结合高频振动等辅助方式， 还能够增强孔内外电解液交换效率，缓解超高深径比结构中的传质受限问题，从而提升填充完整 性和沉积质量。

马等人基于国产电镀药水体系和课题组设计电镀槽体通过电镀参数设计实现 TGV 通孔双面 电镀铜填充模式的调控,实现了 X 型以及“桥型”直通型 TGV 孔金属化，其中 AF32 玻璃衬底上 制作的 X 型 TGV 通孔，孔径 70 μm、厚度 220 μm，中间交接区孔径为 30 μm,石英衬底上制作的 直通孔，孔径 40 m、厚度 490 μm。两种不同通孔形貌的电镀填充原理与电镀过程示意图如 图 15。

图 16 展示了 X 型 TGV 通孔双面电镀铜填充过程 X-ray 照片。在初始阶段使用小电流密度 电镀时，TGV 孔内侧壁的铜层沿孔壁保形生长，而孔中间腰部仍存在缝隙，铜层尚未形成交连。 随着电流密度的增加，孔中间腰部逐渐实现桥接，最终完成上下两个盲孔的铜填充，实现通孔的 整体金属化。

Hussain 等人提出了一种利用按需电液动力（DoD EHD）喷射技术对高深径比玻璃通孔进行 金属化的新方法。通过优化关键工艺参数，包括蒸发时间、填充时间、电压幅值和固化温度，成 功实现了在 TGV 内部无空洞的银纳米颗粒沉积，如图 17。王等人制备了玻璃盲孔，并实现电 镀实心填充，盲孔俯视图与截面图如图 18。

2.3 再布线与多层互连技术

再布线层（RDL）技术负责将 TGV 纵向互连点引出，并与倒装焊盘或芯片引脚进行平面连 接。玻璃基板优异的表面平整度（Ra<1 nm）为实现亚微米级的精细线路提供了可能。目前主要 采用半加成法或改进型半加成法进行 RDL 加工。先在玻璃表面形成超薄铜层，通过高分辨率光 刻技术定义图案，再经由电镀增厚和差异化刻蚀完成线路制备。由于玻璃基板不具有有机基板那 样的柔性，在大尺寸布线中对光刻对准度及干膜附着力提出了极高要求。此外，为了实现多层互 连，通常需要在玻璃表面交替制备聚合物绝缘层（如 PID）和铜 RDL。如何通过等离子体处理 或化学改性来提升聚合物与玻璃、聚合物与金属之间的层间粘附力，并抑制在冷热循环过程中的 层间分层，是当前实现大面积、多层布线玻璃基板产业化的核心技术突破点。具有 RDL 和 TGV 的玻璃基板结构如图 19。

佐治亚理工大学的 Sundaram 等人首次展示了一种超薄玻璃 BGA 封装，厚度为 100 μm，芯 片级 I/O 节距为 50~80 μm，封装尺寸为 18 mm×18 mm，并采用 400 μm 间距完成表面贴装组装， 样品如图 20。

玻璃基板的引入虽然解决了有机基板在平整度与信号传输上的局限，但也引入了全新的可靠 性挑战。玻璃作为一种典型的脆性材料，其断裂韧性极低，对微观缺陷及热机械应力具有高度敏 感性。在倒装焊及热循环过程中，封装体系内多种材料的热膨胀系数（CTE）差异会导致严重的 局部应力集中，进而引发玻璃基板崩裂、通孔分层或金属线路断裂等失效模式。图 21 展示 了玻璃基板封装可靠性与应对策略。尽管玻璃基板在尺寸稳定性和高密度互连方面具有优势，但 其脆性及应力管理问题仍是限制其大规模应用的关键瓶颈。

3.1 热膨胀系数失配与界面应力分布 

CTE 的匹配性是评估封装可靠性的首要指标。玻璃基板的显著优势在于其 CTE 可在 3.0 至9.0 ppm/℃范围内调节，从而实现与硅芯片（约 2.6 ppm/℃）的高度匹配，有效抑制了大尺寸封 装中的整体翘曲。在玻璃基板封装结构中，由于不同材料之间存在显著的热膨胀系数（CTE）失 配，在温度变化过程中会产生热机械应力。该应力可表示为材料弹性模量与 CTE 差值及温度变 化的乘积。在 TGV 结构中，应力主要集中于通孔侧壁、底部及 Cu/Glass 界面区域，尤其是在几 何不连续位置易形成应力集中，从而诱发界面脱层、裂纹扩展及金属互连失效等问题。因此，合 理设计结构参数及材料体系以降低 CTE 失配，是提升玻璃基板可靠性的关键。然而，局部应 力风险主要源于 TGV 内部金属铜（约 17.0 ppm/℃）与玻璃基体之间的巨大热失配。在温度剧烈 波动时，通孔内的铜柱会产生径向与轴向的膨胀挤压，在 TGV 边缘产生显著的周向应力。若 应力超过玻璃的断裂强度，便会从孔壁微缺陷处诱发放射状裂纹。目前的优化策略多聚焦于引入 具有应力缓冲作用的聚合物包覆层，或通过优化电镀工艺调节铜的微观织构，以缓解热循环过程 中的界面剪切应力。TGV 结构的失效并非主要来源于玻璃基板的脆性，而是与铜电镀过程中的 缺陷密切相关，尤其是在高深径比通孔中更为明显。通过优化金属化工艺，可显著提升结构在热 循环条件下的可靠性。

Zhao 等人使用有限元仿真分析了 TGV 孔的应力分布情况。当降温时，在 TGV 和 RDL 的边 缘易引发分层或裂纹现象，如图 22（a）所示。不同铜厚度对应的主应力大小以及应力分布云图 显示在图 22（b）和（c）中。

向等人通过对 TGV 样品施加不同的冷热冲击周数进行实验，借助 SEM 对样品截面显微形 貌进行观察，发现空洞和 TGV-玻璃的界面裂纹主要存在于 TGV-RDL 拐角附近，如图 23。并借 助图 24 所示的二维 TGV 互连结构晶体塑性模型探究其应力和累积塑性功分布，发现 TGV-RDL- 玻璃界面处为冷热冲击过程中的应力集中区。

3.2 脆性断裂机理与微裂纹抑制 

玻璃的脆性本质决定了其失效往往具有突发性，且遵循断裂力学中的格里菲斯准则。在 TGV 成孔过程中，无论是激光消融产生的热影响区，还是机械钻孔残留的损伤，都会在孔壁留下微米 甚至纳米级的原始缺陷，这些缺陷在后续的金属化工艺和热负载下会演变为应力集中的原点。当 应力强度因子 K 超过材料的断裂韧性 KIC时，微裂纹将迅速沿玻璃内部扩散，图 25 显示了玻璃 通孔在高温载荷下 TGV-Cu 裂纹。

研究表明，采用激光诱导深度刻蚀工艺能显著提升通孔表面的光滑度，从而大幅提高裂纹萌 生的临界应力阈值。此外，玻璃基板的边缘强化技术（如化学钢化或精密边缘研磨）也是提升大 尺寸板级封装中抗机械冲击能力的关键手段，能有效避免在切割和搬运过程中的基板碎裂。如图 1a 所示，玻璃芯层主要存在三种开裂类型。其中，内聚型玻璃开裂和界面脱层通常发生在切割 过程中或切割后不久。另一种失效模式表现为三阶段演化过程，首先由切割引入缺陷，其次在玻 璃与再布线层（RDL）界面发生脱层，最终裂纹向玻璃内部扩展。

图 26 展示了裂纹扩展后玻璃基板边缘的扫描电子显微镜（SEM）图像。玻璃芯板与 RDL 层之间的界面脱层失效机理与有机基板类似，通常可通过优化表面处理及沉积工艺得到改善。相 比之下，玻璃材料特有的内部开裂问题更为关键，其与界面应力状态及缺陷控制密切相关。

3.3 动态翘曲控制与长期服役可靠性 

在大尺寸板级封装中，玻璃基板展现出了远优于有机基板的尺寸稳定性。由于玻璃的高弹性 模量（通常在 60~90 GPa），其在高温工艺下的动态翘曲量可降低 50%以上，这极大地放宽了精 细线路光刻和大规模芯片贴装的工艺窗口。然而，长期服役的可靠性仍需通过严格的压力锅测试、 高温高湿偏压测试以及高低温循环测试验证。实验发现，在极端环境下，玻璃与金属界面的粘附 力弱化是导致失效的前兆。如图 27 所示，不同热膨胀系数（CTE）的模塑材料对玻璃中介层 封装晶圆的翘曲行为产生显著影响。随着材料 CTE 的变化，晶圆翘曲形貌由轴对称分布逐渐转 变为非均匀分布，且边缘区域出现更明显的翘曲变形，表明 CTE 失配是驱动翘曲产生的关键因 素。同时，较低 CTE 材料能够有效抑制整体翘曲幅值，提高结构稳定性。通过在 RDL 界面引 入纳米级粗化结构或硅烷偶联剂改性层，可以显著增强界面能，抑制湿热应力驱动下的层间分层。 未来的研究方向正转向开发基于机器学习的寿命预测模型，通过多物理场耦合仿真预判不同 TGV 布局下的应力奇点，从而在设计阶段实现可靠性的前馈控制。如图 28 该方法通过融合实验 与仿真数据，并结合机器学习方法，实现了小样本条件下的可靠性预测。

玻璃基板 TGV 技术不仅是封装材料的一次更迭，更是解决系统级互连瓶颈的核心手段。得 益于玻璃优异的介电特性（低 Dk和 Df值）、极佳的表面平整度以及在大尺寸加工上的潜力，该 技术已从基础研究迅速转向高性能计算、人工智能加速器及毫米波通信等高附加值领域。

4.1 高性能计算与 AI 芯片的异构集成 

在 AI 算力需求激增的推动下，高性能芯片正朝着超大尺寸和 Chiplet 架构演进。传统的硅中 介层由于制造成本高昂且受限于光刻掩模版尺寸，难以支撑多颗逻辑芯片与高带宽存储器的大规模集成。TGV 玻璃基板作为新一代中介层，能够提供比有机基板更高的布线密度，同时其电 学损耗显著低于高阻硅，能有效提升 HBM 与核心算力单元之间数据传输的信号完整性。此外， 玻璃基板的热稳定性允许其在更大的尺寸范围内保持平整，解决了超大尺寸封装在回流焊过程中 的偏移与连接失效难题。目前，Intel 等厂商正积极推动将 TGV 技术应用于 2.5D/3D 堆叠，旨在通过缩短垂直互连路径来降低能耗并提升算力密度。在新一代高性能封装架构中，TGV 技术作为实现高密度垂直互连的重要手段，已逐渐应用于 2.5D/3D 集成系统。通过减少互连长度并优 化信号传输路径，该技术在降低功耗和提升数据传输效率方面展现出显著优势。此外，其在异构 集成架构中的应用，有助于实现计算单元与存储单元的高效协同，从而提升整体系统性能。

4.2 高频、高速通信与射频组件（5G/6G）

在 5G Advanced 及未来的 6G 通信频段下，信号损耗与相位噪声对基板材料的介电性能极度 敏感。玻璃基板凭借极低的损耗角正切（Df 值通常小于 0.002@10GHz），展现出远优于传统有 机材料（如 FR-4 或部分低损耗 ABF）的频率响应特性。利用 TGV 技术，可以在玻璃内部直接 制备高性能的集成无源器件，如高品质因数（Q 值）的电感、滤波器及耦合器。这种三维 集成的射频前端模组不仅体积更小，且由于玻璃的绝缘特性，能够显著抑制不同射频通道间的电磁干扰。此外，玻璃透明且平整的特性也使其成为封装天线技术的理想载体，支持在毫米波 甚至太赫兹频段下实现高增益、窄波束的信号传输，为卫星通信与自动驾驶等应用奠定了硬件基础。针对高频通信系统中天线的小型化、集成化与多功能需求，研究人员已在双频带设计、 低剖面结构及新型制造工艺等方面开展了大量研究，并取得了丰富成果。

4.3 硅光集成与共同封装光学 

随着数据中心互连带宽向 1.6T 甚至更高量级迈进，光电协同封装（CPO）成为解决电互连 功耗墙的核心方案。玻璃基板在这一领域展现出天然的跨界优势，其透明特性允许激光直接穿透 基板进行精密对准，极大地简化了光纤与硅光芯片之间的耦合封装工艺。通过 TGV 实现电 信号的垂直引出，并利用玻璃表面的高精度布线承载高速电学链路，可以在同一块玻璃平台上实 现电、光信号的共面集成。这种“光电互连中介层”方案不仅能显著降低光电转换过程中的损耗， 还能利用玻璃与硅相近的 CTE 保持长期运行下的光学对准精度，是实现超大规模云计算架构的 关键技术路径（图 29）。在未来，玻璃波导电路可作为 PCB 层，在机架机箱内部，玻璃波导电 路安装 PCB 的绿色塑料板上。如图 30 在玻璃波导电路中插入 8 根 MPO-16 光纤跳线，将集成玻 璃波导与光纤网络连接。康宁针对 CPO 交换机提出电光基板概念，如图 31 所示，包括玻璃基 板、空腔和 TGV。TGV 参数影响整体信号完整性、热导率和功率密度，取决于 TGV 的尺寸、 形状和金属化工艺（如全填充或保形填充）。

来源：赵强1, 张继华2. 高性能封装玻璃基板TGV技术的研究现状、挑战与未来展望[J]. 电子与封装, doi: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2026.0139.，侵删

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