随着消费电子需求激增不断拉高集成电路的集成极限，2.5D、3D 先进封装技术成为提升芯片性能的主流方案，但该技术存在诸多瓶颈。芯片堆叠架构会直接提高器件整体厚度，给硅基中介层的应用带来诸多难点：其一，采用研磨工艺对硅中介层做超薄化处理，成本高昂且生产周期长；其二，硅材料不透光，大幅提升了 3D 集成电路中焊球与微凸点的对位校准难度；其三，各类材料热膨胀系数存在差异，温变工况下易引发结构形变，最终造成器件性能衰减。针对上述痛点，玻璃材料被证实可作为中介层的优质替代基材。玻璃兼具高刚性与化学惰性，能够以较低成本制备大面积超薄基板；凭借透光特性，相较于硅中介层可显著简化对位工艺；同时玻璃的热膨胀系数具备可调特性，据此制备的器件在高低温交替环境中结构稳定性更强、不易发生形变。除此之外，依托自身优良的机械刚性，玻璃除充当中介层之外，在部分厚型结构的 3D 封装产品里，还可兼任器件的承载结构件。
图1 2.5D封装技术示意图
Science TGVs制备方法 中介层制备的核心难点在于高密度导电微通孔加工。现阶段贯穿玻璃通孔（TGVs）的制备工艺包含磨料喷射加工、磨料水射流、湿法刻蚀、等离子刻蚀、水辅助微加工等多种方案，各类工艺各有利弊。本文重点研究激光微加工技术：飞秒激光脉冲宽度极短，加工脆性透明材料时热影响区极小，加工品质优异，大多无需后续修整工序，同时该加工方式为非接触式，不存在刀具损耗、更换问题，还可规避基板污染。在TGVs制备工艺方法中，通孔形貌一致性与加工效率成为筛选最优加工工艺的核心依据。 在飞秒激光微加工中，典型的加工方式是通过逐层扫描所需的几何形状，从上至下去除材料（自上而下铣削，TDM），将激光焦点逐渐深入材料，直到达到所需深度，如图2所示，这种方法在去除具有复杂几何形状的小特征时非常有效。然而，激光自上而下铣削工艺仍存在明显技术短板，核心难题是难以制备高深宽比结构，而TGVs制备通常需要达到1:10以上的高深宽比，这一问题尤为突出。该工艺受限的主要原因是加工区域的烧蚀碎屑无法及时排出、持续堆积，大幅阻碍材料进一步去除，最终会终止激光烧蚀进程，制约高深宽比通孔的加工成型。 图2 自上而下加工方式，TDM
使用标准TDM方法制造TGVs的另一个难题是热量堆积。由于能量集中在一个极小的焦点，通常直径为几十微米，而扫描几何形状只覆盖比焦点尺寸大两到三倍的区域，因此产生的热量散热空间有限。这种局部加热会导致材料产生热应力，通常会在孔的外缘和相邻孔之间形成微裂纹，如图3所示。 图3 制备小尺寸微孔的时候形成微裂纹
SLE 激光选择性蚀刻技术 选择性激光蚀刻是用超短激光源制造TGVs的较流行方法之一，如图4所示。这个过程包括两个步骤：首先用超短脉冲激光在玻璃局部加工形成改性区，随后采用湿法蚀刻工艺，其中被照射的区域蚀刻速度比未改性的区域快20-100倍左右。这种方法可以加工大面积的玻璃面板，来满足工业和大规模产量的需求。武汉光格科技有限公司（www.luminatech.cn）代理的立陶宛EKSPLA FemtoLux飞秒激光器已经被证实可以应用于该种加工方式中，如图 5所示，SLE工艺技术涉及使用化学品，这不仅使工序复杂化，还存在安全风险，因此，业界也在寻找生产 TGVs的替代方法。 图4 SLE，选择性激光蚀刻技术
图5 EKSPLA的FemtoLux飞秒激光器通过SLE（选择性激光蚀刻）工艺在0.7mm厚的BF33玻璃上制备的TGVs，左图是100倍显微成像图，右图是400倍显微镜成像图
烧蚀钻孔TGVs 烧蚀钻孔方式涉及两种工艺细节，自下而上（BUM）和MHz/GHz burst模式 自下而上铣削为了应对TDM的深宽比限制，BUM方法是从材料的底部而不是顶部表面进行加工（如图6）,和TDM类似，它也是逐层加工，但焦平面会逐渐向顶表面移动。这种方式可以有效地从样品底部去除烧蚀碎屑，从而形成高深宽比的几何结构。图7展示了BUM方法在玻璃加工中所提供的灵活性的一个例子，可以使用三步工序制备微透镜阵列光学元件。首先，从玻璃板的底部加工基底，接着直接在表面加工透镜结构，最后，为了达到所需的光学质量，通过CO2激光器对表面进行抛光。 图6 自下而上，BUM加工方式示意图
图7 多工序结合制备微透镜阵列
飞秒激光以其高精度加工而闻名，但它们通常在高吞吐量方面存在困难。由于脉冲持续时间极短，受影响的相互作用体积相比于长脉冲激光明显更小,这一特性使得材料加工更加精确,这是飞秒激光的关键优势之一，但限制了材料去除速率。为克服这一限制，目前一些飞秒激光引入了Burst模式，在这种模式下，单个高能脉冲被分裂成多个子脉冲，这些子脉冲之间间隔为几十纳秒或数百皮秒。Burst模式的优势是在于单个脉冲在高能量的时候容易发生等离子屏蔽效应，限制了加工吞吐量，而Burst模式下，多个子脉冲在等离子体产生的窗口期进行连续的加工，大幅地提升了材料的去除效率以及保留了飞秒的低损伤特性。在一项研究中，使用 FemtoLux 30 激光的不同工作模式，研究了不同Burst模式的影响，用于加工熔融石英。比较了两种加工方法：传统的自上而下铣削 (TDM) 和自下而上铣削 (BUM)。通过激光加工系统改变每个脉冲Burst的数量、能量密度（单位面积的能量）和扫描速度等参数，在熔融石英上加工出了凹槽。然后根据测量的去除材料体积（如图 8）确定了烧蚀率和效率。结果显示，采用 BUM 方法结合混合 MHz+GHz Burst模式可以达到最高的产量。 图8 不同加工方式下的烧蚀效率 基于以上的两种技术进行加工TGVs。在0.5mm厚的SCHOTT BF33玻璃中制造了直径为60 µm的玻璃通孔（TGVs），实现了大约1:8的深宽比。钻孔使用自下而上的铣削（BUM）方法。为了确保足够高的效率，最初采用了MHz+GHz的组合Burst模式，总脉冲能量为15 µJ。不过，这种方法导致孔边缘周围出现了明显的崩边。为了减少这种损伤，工艺调整为更温和的单一的GHz Burst模式。尽管参数有所改善，但仍然可以观察到明显的崩边，如图9所示。 图9 BF33玻璃 1030nm激光直接钻60um的孔，具有15um的崩边尺寸。左边为顶部，右边为底部。 图10 BF33玻璃 515nm激光直接钻60um的孔，崩边尺寸明显减小5um左右。左边为顶部，右边为底部。
为了进一步减少崩边，采用了更短的波长以利用材料更高的吸收性。在没有对激光器进行其它任何参数修改的情况下，在515 nm波长下生成GHz Burst脉冲串，来进行TGVs钻孔。如图10所示，使用较短波长效果显著，崩边明显减少,每个通孔大约在1秒内完成钻孔。虽然这种方式还达不到现有工业TGVs制造工艺的质量和产量要求，但该种技术为TGVs其它应用和技术发展提供一种新的思路，而且无需像湿法蚀刻这样额外引入后处理步骤。
GHz冲击钻孔 如前所述，GHz Burst模式在玻璃微加工中起着关键作用，因为它能够显著提高产率。然而，其优势不仅仅体现在烧蚀加工去除率的提高。GHz 的极高脉冲重复率使得Burst序列中的后续脉冲能够与前面脉冲产生的激光等离子体相互作用，这种相互作用打开了新的加工模式，使得在各种材料中制造高深宽比的孔成为可能，而这些结构仅凭单脉冲模式是无法实现的。通过利用EKSPLA的 FemtoLux 飞秒激光系列中灵活 GHz Burst功能，已经成功在多种玻璃类型中高效地钻取高深宽比的 TGVs 孔。 通过将高能脉冲分成 50 个GHz子脉冲，且每个子脉冲的Burst内重复频率为 2 GHz，在 1 mm 厚的Soda-lime玻璃中实现了高深宽比孔钻孔。如图 11、12所示，这种技术不仅可以形成深宽比超过 1:80 的TGVs，还能精确控制孔的深度。这种控制可以通过调整入射脉冲的数量，或者简单地改变样品曝光时间来实现。 图11 曝光时间控制孔的深度 图12 1mm厚soda-lime玻璃冲击钻孔。曝光时间从左到右依次增加。
这种技术已在各种玻璃材料上得到验证，包括AN100、BK7、BF33、熔融石英、Soda-lime玻璃和EXG。每种材料都有不同的热学和光学特性，这直接影响可加工达到的最小和最大孔深。热膨胀系数是决定冲击钻孔时是否容易开裂的关键参数，而材料的禁带宽度则是决定超短激光脉冲的吸收效率可达到的最大深度的关键参数。目前在0.5mm厚的玻璃上打一个TGVs孔大约需要350毫秒，例如通过利用先进的光束分束等技术，有可能将加工时间缩短多达100倍以上。
通过将 GHz Burst钻孔与光束整形相结合，可以制造出直径更小、深宽比更高的 TGVs。正如图 13 所示，使用这种结合技术，利用长 GHz Burst 钻孔和光束整形制造的 TGV 具有近乎垂直的侧壁，孔的直径为 1 µm，加工材料0.5mm厚度的玻璃，最终达到了 1:500 深宽比。为了验证，样品从另一侧打磨，直到暴露出 TGVs，从而显示出改性区域内部的空洞，并确认孔洞已完全贯穿材料。与图 11中利用多个GHz Burst加工的TGVs方式不同，这些高深宽比结构的TGVs是利用单次长 GHz Burst形成，总能量为 180 µJ，且每秒可形成数千个 TGVs。
图13 通过GHz Burst加光束整形技术在0.5mm厚的玻璃上钻1um的孔
Science 总结
飞秒激光技术在制造玻璃通孔（TGVs）方面已被证明具有独特的灵活性和高效性。根据所需要的效果，可以选择各种不同的方法制作TGVs。例如，结合GHz Burst模式与自下而上的铣削方式，可以实现直径可控的钻孔，再通过使用更短的波长优化，可减少崩边并提高孔质量。或者也可以使用控制GHz Burst数量或者曝光时间钻出不同深度的TGVs的孔，以及结合光束整形技术，形成高深宽比，高效率的TGVs钻孔。 EKSPLA FemtoLux系列 工业飞秒激光器
EKSPLA位于东欧的超快中心，立陶宛首都维尔纽斯，是全球知名的超快激光，激光系统，激光核心元器件制造商和超快激光应用方案提供商。EKSPLA也是立陶宛激光协会和波罗的海光学协会的领导者，和全球所有的知名高校/研究机构，以及重要的工业客户都有密切的合作。EKSPLA同时还承担着欧盟重大的战略级国际激光开发项目。
武汉光格科技有限公司作为EKSPLA的核心代理商以及工业市场主要合作伙伴，致力于EKSPLA产品在激光加工、激光器集成、生物成像等领域的应用市场开发、产品推广等。
