王 剛 葉 剛 李奇哲 周超杰 夏晨輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所 無(wú)錫 214035)

1 前 言

隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展，多芯片集成封裝基于轉(zhuǎn)接板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了封裝技術(shù)由平面維度(2D)向垂直維度(2.5D/3D)的拓展，大幅提高了系統(tǒng)的集成度，顯著提升空間利用率，縮短互連長(zhǎng)度，降低功耗，可廣泛應(yīng)用于光通信、射頻、微波、微機(jī)電系統(tǒng)、微流體器件和三維集成領(lǐng)域[1-5]。按封裝材料的不同，轉(zhuǎn)接板可分為有機(jī)轉(zhuǎn)接板、硅轉(zhuǎn)接板和玻璃轉(zhuǎn)接板 3 大類。有機(jī)轉(zhuǎn)接板熱穩(wěn)定性差，與硅芯片的熱膨脹系數(shù)匹配差，以及高密度輸入/輸出口加工難度大，制約了有機(jī)轉(zhuǎn)接板在高密度集成封裝方向的應(yīng)用[6]。硅轉(zhuǎn)接板的導(dǎo)熱性能優(yōu)異，輸入/輸出端口密度較高，與硅芯片的熱膨脹系數(shù)匹配好，與現(xiàn)有集成電路工藝及設(shè)備的兼容性好，已得到廣泛應(yīng)用[7]。然而硅屬于半導(dǎo)體材料，具有導(dǎo)電性，因此，在高頻情況下，容易導(dǎo)致漏電以及傳輸信號(hào)的串?dāng)_和耦合，嚴(yán)重制約硅轉(zhuǎn)接板的應(yīng)用。玻璃轉(zhuǎn)接板基于玻璃材料的特性，電阻率高，絕緣性能佳，對(duì)信號(hào)隔離好[8]，信號(hào)之間的串?dāng)_較小，對(duì)高頻信號(hào)的傳輸有著硅轉(zhuǎn)接板不能比擬的優(yōu)勢(shì)[9]。

制備玻璃轉(zhuǎn)接板的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高深寬比玻璃通孔的制備，目前常見(jiàn)的制備方法主要有光敏玻璃法[10]、干法刻蝕法[11]、激光燒蝕法[12]、激光誘導(dǎo)刻蝕法[13]等。傳統(tǒng)的干法刻蝕及激光燒蝕存在一定的局限性，如側(cè)壁粗糙、邊緣崩邊等現(xiàn)象，且可靠性較低，為后續(xù)工藝實(shí)施帶來(lái)一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)?；诠饷舨ＡУ牟Ａ字苽浞椒ň哂姓婕庸ぁ⒖涛g選擇比高的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)。本文基于光敏玻璃材料，研究了不同曝光量對(duì)玻璃通孔制備的影響，實(shí)現(xiàn)了高密度、高深寬比的玻璃通孔制備。

2 玻璃通孔制備工藝

玻璃通孔(through-glass via，TGV)轉(zhuǎn)接板作為一種新型的集成組裝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、高可靠的三維集成封裝制造，從而提高電子系統(tǒng)的性能和可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。多年以來(lái)，玻璃微孔的制備制約著 TGV 轉(zhuǎn)接板的發(fā)展，如何制備出高深寬比、窄節(jié)距、高垂直度、高側(cè)壁粗糙度、低成本的玻璃微孔一直是科研人員關(guān)注的話題。

2.1 玻璃通孔成型技術(shù)

玻璃通孔加工成型的方法主要有噴砂法、聚焦放電法、等離子刻蝕法、激光燒蝕法、電化學(xué)法、激光誘導(dǎo)刻蝕法、光敏玻璃法等[14]。噴砂法制作的玻璃通孔孔徑較大且一致性較差，目前已逐漸淡出三維集成封裝的應(yīng)用范疇。聚焦放電法利用放電現(xiàn)象在玻璃表面形成微孔，然后通過(guò)化學(xué)腐蝕擴(kuò)大孔徑，以制作出高質(zhì)量的通孔。但由于加工過(guò)程復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高以及容易造成偏心性等，限制了其在微納集成封裝中的生產(chǎn)應(yīng)用。等離子刻蝕法利用氣體中的等離子體對(duì)玻璃表面進(jìn)行加工，從而形成微孔。但制備速度慢、制備過(guò)程難控制、玻璃表面損傷大以及設(shè)備較大等缺點(diǎn)限制了其在集成封裝中的廣泛應(yīng)用。激光燒蝕法利用激光的熱效應(yīng)將玻璃材料燒蝕掉，可制備出垂直度高的玻璃通孔，但其具有制備速度慢、效果難控制、燒蝕產(chǎn)生碎屑、設(shè)備成本高、對(duì)材料要求高等缺點(diǎn)。電化學(xué)法利用電化學(xué)反應(yīng)，在電解溶液中去除玻璃表面的材料，從而形成通孔。該方法制備時(shí)間長(zhǎng)、電極易腐蝕、溫度難控制、對(duì)電解液選擇和配置高、通孔尺寸和形貌難控制。激光誘導(dǎo)刻蝕法利用激光在玻璃表面及內(nèi)部改性，在高溫下利用濕法刻蝕或氣氛下直接刻蝕玻璃形成通孔。該方法制備的玻璃通孔質(zhì)量較高，但其具有激光誘導(dǎo)速度慢、制備過(guò)程復(fù)雜、激光誘導(dǎo)孔徑受激光范圍限制、表面易損傷及對(duì)材料要求高等缺點(diǎn)。光敏玻璃法利用光敏玻璃曝光改性的機(jī)理，使得玻璃在酸蝕液中的刻蝕比不同，實(shí)現(xiàn)玻璃通孔的制備。該方法制備的玻璃通孔具有效率高、尺寸精度高、表面光滑度高以及可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。表1 從玻璃通孔的加工品質(zhì)、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

表1 不同玻璃通孔制備方法對(duì)比Table 1 Comparison of different TGV preparation methods

2.2 光敏玻璃通孔制備工藝

本文根據(jù)光敏玻璃材料特性，設(shè)計(jì)了一種利用紫外曝光、熱處理、濕法刻蝕等方法實(shí)現(xiàn)玻璃通孔加工的工藝流程。實(shí)驗(yàn)前需先將玻璃進(jìn)行預(yù)處理，即將玻璃先后放入異丙醇和丙酮中分別超聲清洗 10 min，取出后用氮?dú)獯蹈桑ゲＡП砻骐s質(zhì)。玻璃通孔制備工藝流程如圖1所示。紫外光曝光時(shí)間分別為 4 min、8 min、12 min、16 min，掩膜板單個(gè)透光區(qū)域?yàn)閳A形，直徑設(shè)計(jì)值為 30 μm，熱處理溫度曲線如圖2 所示，由室溫升至 500 ℃ 后，保溫 1 h，再升至560 ℃，并保溫 1 h 后，自然降溫至室溫。最后采用濕法刻蝕方法，將玻璃浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的 HF 溶液中，超聲浸泡 20 min，完成玻璃通孔的制備。

圖1 光敏玻璃通孔制備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram for the preparation of photosensitive through-glass via

圖2 光敏玻璃熱處理溫度曲線Fig.2 Heat treatment temperature curve of photosensitive glass

光敏玻璃選用肖特 Foturan Ⅱ 型光敏玻璃，實(shí)驗(yàn)材料為邊長(zhǎng) 2 inch(5.08 mm)、厚度 500 μm的正方形玻璃。實(shí)驗(yàn)所用曝光設(shè)備為德國(guó) SUSS紫外曝光機(jī) MA6，紫外光源波長(zhǎng)為 320 nm，紫外光源強(qiáng)度為 7.02 mW·cm－2；實(shí)驗(yàn)所用熱處理設(shè)備為德國(guó) Nabertherm 馬弗爐。

3 光敏玻璃通孔制備過(guò)程

3.1 曝光改性

德國(guó)肖特生產(chǎn)的光敏玻璃為鋰鋁硅酸鹽光敏玻璃，除主要成分外，還摻雜了一定的 Ag＋、Ce3＋和 Sb3＋，分別以 AgO、CeO2和 Sb2O3的狀態(tài)存在于玻璃中。其中，CeO2為光敏劑，主要成分 Ce3＋的吸收光譜峰值在 315 nm 附近，曝光時(shí)，經(jīng) 320 nm 紫外光照射發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，吸收光子能量，釋放一個(gè)自由電子，變成 Ce4＋，釋放的自由電子處在 Ce4＋周圍，形成電子離子對(duì)，在室溫下無(wú)法移動(dòng)；AgO 為成核劑，熱處理時(shí)，溫度升至 500 ℃ 并保溫，曝光產(chǎn)生的自由電子釋放出來(lái)，與 Ag＋結(jié)合生成 Ag 原子，Ag 原子不斷聚集形成微小的單質(zhì) Ag 晶體，繼續(xù)升溫至 560 ℃，玻璃中的硅酸鹽以微小的單質(zhì) Ag 晶體為核心，逐漸生長(zhǎng)出 Li2SiO3晶體，當(dāng) Li2SiO3晶體相當(dāng)大時(shí)，玻璃就會(huì)呈現(xiàn)半透明的狀態(tài)[15]。生成的Li2SiO3晶體在 HF 溶液中的溶解速度為玻璃在HF 溶液中溶解速度的 20～30 倍。將經(jīng)過(guò)紫外曝光及熱處理的光敏玻璃浸泡在 HF 溶液中，曝光區(qū)域易被刻蝕，從而形成特定的結(jié)構(gòu)[16]。如圖3 所示，分別為 320 nm 紫外光曝光 4 min、8 min、12 min、16 min 并熱處理后的外觀照片。結(jié)果表明，隨著曝光量的增加，邊緣泛曝光區(qū)域變?yōu)榛液谏?，變色程度逐漸加深，掩膜圖案逐漸明顯。

圖3 不同曝光時(shí)間并熱處理后的外觀照片F(xiàn)ig.3 Photographs of the appearance after heat treatment with different exposure times

使用 X 射線衍射儀對(duì)實(shí)驗(yàn)中的光敏玻璃片進(jìn)行成分分析，分別對(duì)原始來(lái)料、曝光之后以及曝光熱處理后的玻璃材料進(jìn)行 XRD 分析。結(jié)果如圖4 所示，對(duì)照粉末衍射卡(PDF#30-0766)，光敏玻璃曝光熱處理之后結(jié)出 Li2SiO3晶體。紫外曝光后的玻璃樣片由于脈沖能量較低，不能達(dá)到光致?lián)p傷閾值，因此，玻璃結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化。

圖4 光敏玻璃的 XRD 結(jié)果Fig.4 XRD results of photosensitive glass

3.2 氟化氫刻蝕

圖5～8 分別為光學(xué)顯微鏡下不同曝光時(shí)間樣品熱處理后在 HF 溶液中浸泡 20 min 后的外觀圖，曝光時(shí)間分別為 4 min、8 min、12 min 和16 min。如圖5 所示，曝光時(shí)間為 4 min 時(shí)，樣品正面刻蝕孔呈圓形，與掩膜圖案一致，背面僅有輕微的刻蝕痕跡。經(jīng)分析，紫外光曝光時(shí)，光源由上而下經(jīng)掩膜板照射在玻璃表面，玻璃表面最先吸收紫外光中的光子能量，由表及里，由正面到背面，光子能量不斷被層層吸收，紫外光在穿過(guò)玻璃的過(guò)程中，能量逐漸降低。當(dāng)曝光時(shí)間較短時(shí)，玻璃可吸收的紫外光總能量較低，能量會(huì)被玻璃正面部分優(yōu)先吸收，背面部分能夠吸收的能量很少，導(dǎo)致刻蝕后樣品正面刻蝕明顯，背面刻蝕輕微。

圖5 紫外曝光 4 min 后的樣品刻蝕外觀照片F(xiàn)ig.5 Photograph of the etched appearance of the sample after 4 min UV exposure

當(dāng)曝光時(shí)間增加為 8 min 時(shí)，如圖6 所示，樣品正面與背面均呈現(xiàn)出明顯的刻蝕孔，正面刻蝕孔的尺寸大于背面刻蝕孔；如圖9(a)所示，正面刻蝕孔的深度約為 228.8 μm，背面刻蝕孔的深度約為 30.82 μm，正面刻蝕孔的深度大于背面刻蝕孔。實(shí)驗(yàn)表明，隨著曝光時(shí)間增加，玻璃可吸收的紫外光總能量增加，玻璃內(nèi)部由正面至背面逐步改性，改性程度逐漸降低，造成刻蝕時(shí)樣品正面的刻蝕速率遠(yuǎn)大于樣品背面的刻蝕速率。

圖6 紫外曝光 8 min 后的樣品刻蝕外觀照片F(xiàn)ig.6 Photograph of the etched appearance of the sample after 8 min UV exposure

圖7 紫外曝光 12 min 后的樣品刻蝕外觀照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the etched appearance of the sample after 12 min UV exposure

圖8 紫外曝光 16 min 后的樣品刻蝕外觀照片F(xiàn)ig.8 Photograph of the etched appearance of the sample after 16 min of UV exposure

圖9 不同曝光時(shí)間樣品 HF 刻蝕后 SEM 截面圖Fig.9 SEM cross-section after HF etching of samples with different exposure times

當(dāng)曝光時(shí)間為 12 min 時(shí)，如圖9(b)所示，通孔已刻蝕穿，樣品的厚度為 489 μm，通孔最窄位置尺寸約為 25.68 μm，處于中偏下部位；當(dāng)曝光時(shí)間為 16 min 時(shí)，如圖9(c)所示，樣品的厚度為 484.6 μm，通孔最窄位置尺寸約為 37.96 μm，處于中間部位。結(jié)果表明，隨著曝光時(shí)間增加，曝光區(qū)域的玻璃改性程度增強(qiáng)，滿足了玻璃通孔的制備需求；由通孔最窄處位置所處部位可知，曝光時(shí)間為 12 min 時(shí)，玻璃內(nèi)部由正面至背面的改性程度仍呈降低趨勢(shì)，曝光時(shí)間達(dá)到 16 min時(shí)，玻璃正背面改性程度基本均勻。

3.3 光敏玻璃通孔位置分析

在光敏玻璃通孔制作過(guò)程中，會(huì)用到 500 ℃以上的高溫處理工藝。當(dāng)材料受熱時(shí)，熱膨脹系數(shù)的變化將導(dǎo)致材料的長(zhǎng)度、厚度等尺寸維度發(fā)生變化，這可能會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形。對(duì)于 TGV轉(zhuǎn)接板而言，玻璃通孔的位置變化會(huì)直接影響集成系統(tǒng)的性能；對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，會(huì)影響信號(hào)完整性；在射頻電路中，會(huì)影響傳輸損耗。圖10為光敏玻璃微通孔成型之后，偏移量的測(cè)量點(diǎn)示意圖。

圖10 光敏玻璃通孔的偏移量測(cè)量Fig.10 Offset measurement of photosensitive through-glass via

使用高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)所制造的光敏玻璃通孔樣件的局部偏移和全局偏移進(jìn)行測(cè)量，由表2 測(cè)試結(jié)果分析可知，玻璃通孔刻蝕完成后的漲縮系數(shù)約為 1.001 2，這表明光敏玻璃法制備的 TGV 的位置存在一定變化。對(duì)于常規(guī) 3 mm×3 mm 的 TGV 轉(zhuǎn)接板而言，邊緣 TGV 的最大偏移量約為 1.8 μm，這對(duì)于三維集成封裝來(lái)說(shuō)，在工藝所允許的范圍內(nèi)。

表2 光敏玻璃通孔偏移量測(cè)量結(jié)果Table 2 Light-sensitive through-glass via offset measurement results

3.4 光敏玻璃通孔成型機(jī)理

通過(guò)以上研究過(guò)程，整理實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，得到樣品正反面通孔直徑尺寸，以及正反兩面通孔直徑尺寸差值與曝光時(shí)間的關(guān)系。如圖11 所示，在曝光時(shí)間由 4 min 增至 12 min 的過(guò)程中，曝光區(qū)域逐步改性完成，刻蝕孔開口尺寸快速增加，進(jìn)一步表明，光敏玻璃通過(guò)紫外光曝光改性的過(guò)程是由表及里、由正面到背面的逐步改性過(guò)程；曝光時(shí)間繼續(xù)增加，由 12 min 增至 16 min，正反兩面通孔直徑尺寸繼續(xù)穩(wěn)步增大，且二者尺寸差趨于穩(wěn)定，光敏玻璃曝光區(qū)域完全改性后，繼續(xù)曝光，玻璃內(nèi)部改性區(qū)域向四周擴(kuò)散，由正面至背面的擴(kuò)散范圍逐漸變小，正反兩面的改性區(qū)域面積之差趨于穩(wěn)定。

圖11 正反兩面通孔直徑尺寸及其差值與曝光時(shí)間的關(guān)系Fig.11 Relationship between front and back through-glass via diameter dimensions and their difference with exposure time

同以往工作的對(duì)比結(jié)果如表3 所示，與林來(lái)存等[10]采用的光敏玻璃法制備的 TGV 相比，本文采用的光敏玻璃法制備的 TGV 的深寬比更好。與等離子刻蝕[11]、激光燒蝕[12]、濕法腐蝕[17]等方法相比，本文的光敏玻璃法制備的 TGV 在通孔直徑和深寬比指標(biāo)上均具有明顯優(yōu)勢(shì)，與激光誘導(dǎo)刻蝕法[18]制備的 TGV 在技術(shù)指標(biāo)上有同等效果。本文所制備的 TGV 具有小直徑、高深寬比、窄節(jié)距、低成本等優(yōu)勢(shì)，滿足三維集成封裝中垂直互連轉(zhuǎn)接板的使用需求。

表3 與以往相關(guān)工作的比較Table 3 Comparison with previous relevant work

4 結(jié) 論

本文基于光敏玻璃對(duì)通孔制備工藝進(jìn)行研究，采用紫外光曝光、熱處理以及濕法刻蝕等方法，獲得了深寬比為 8∶1 的玻璃通孔，探究了曝光量對(duì)通孔制備工藝的影響，以及曝光過(guò)程中光敏玻璃的改性機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，厚度為 500 μm 的光敏玻璃，曝光量使用 5 J·cm－3，即可實(shí)現(xiàn)玻璃通孔的制備；光敏玻璃紫外光曝光改性的過(guò)程是由表及里、由正面到背面的逐步改性過(guò)程；光敏玻璃曝光區(qū)域完全改性后，繼續(xù)曝光，玻璃內(nèi)部改性區(qū)域會(huì)向四周擴(kuò)散。本研究結(jié)果為基于光敏玻璃的通孔制備技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。