來源：新材料縱橫

導(dǎo)讀：

自集成電路誕生以來，摩爾定律一直是其發(fā)展的核心驅(qū)動力。根據(jù)摩爾定律，集成電路單位面積上的晶體管數(shù)量每18到24個月翻一番，性能也隨之提升。然而，隨著晶體管尺寸的不斷縮小，制造工藝的復(fù)雜度和成本急劇上升，摩爾定律的延續(xù)面臨巨大挑戰(zhàn)。例如，從22納米工藝制程開始，每一代技術(shù)的設(shè)計成本增加均超過50%，3納米工藝的總設(shè)計成本更是高達15億美元。此外，晶體管成本縮放規(guī)律在28納米制程后已經(jīng)停滯。

在傳統(tǒng)二維芯片設(shè)計中，芯片的工作區(qū)和引線普遍采用平面布局，這種設(shè)計限制了芯片之間的高頻信號傳輸，因為互連線過長導(dǎo)致信號延遲大。為突破這一瓶頸，20世紀80年代，隨著超微加工技術(shù)的發(fā)展，三維封裝（3D封裝）技術(shù)應(yīng)運而生。3D封裝通過在單一芯片上構(gòu)建多層電路，利用絕緣層隔離各層電路，并通過穿孔實現(xiàn)層間互連，從而在不增加芯片平面空間的前提下，顯著提升集成度，縮短信號傳輸路徑。

三維封裝技術(shù)

近年來，3D封裝技術(shù)取得了重大突破。英特爾在2022年的IEEE國際電子器件會議上展示了其3D封裝技術(shù)的新進展，該技術(shù)可將互連密度再提升10倍。英特爾的Foveros技術(shù)是一種3D堆疊芯片技術(shù)，能夠以垂直方式堆疊計算模塊，優(yōu)化成本和能效。此外，英特爾還通過混合鍵合技術(shù)將互連間距微縮到3微米，實現(xiàn)了與單片式系統(tǒng)級芯片相似的互連密度。

芯片3D封裝結(jié)構(gòu)示意圖

玻璃基板

玻璃因具有熱膨脹系數(shù)低、電氣絕緣性能好等優(yōu)勢，被芯片設(shè)計開發(fā)者引入芯片封裝領(lǐng)域作為封裝基板使用。玻璃基板為芯片提供了穩(wěn)定的支撐平臺，可確保封裝過程中芯片不會因基板變形或不平坦而受損。

目前，芯片封裝的基板材料主要包括有機基板、陶瓷基板和玻璃基板三種：

（1）有機基板：具有質(zhì)量輕、可實現(xiàn)復(fù)雜電路設(shè)計、工藝流程簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，但高溫?zé)岱€(wěn)定性差，易受高溫影響而變形。

（2）陶瓷基板：介電性能穩(wěn)定，機械性能好，能滿足集成電路的需求，但制造成本較高，且不適用于對輕量化有需求的應(yīng)用場景。

（3）玻璃基板：具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，能在高溫環(huán)境下保持物理形態(tài)不變，同時具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，能有效減少信號損耗和串擾，適合高頻應(yīng)用環(huán)境。玻璃基板還具備高機械強度和高平整度，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度互連和精確的層間對準。

三種芯片封裝基板材料的性能參數(shù)

隨著芯片3D封裝技術(shù)的發(fā)展，硅通孔（rhrough silicon via, TSV）技術(shù)和玻璃通孔（through glass via,TGV）技術(shù)相繼得到應(yīng)用。早期的芯片3D封裝是通過TSV技術(shù)實現(xiàn)的，TSV具有互連密度、電阻相對小和信號延遲低、工藝技術(shù)成熟及機械強度較好等優(yōu)點，但成本高、散熱管理難及加工過程中可能產(chǎn)生應(yīng)力等問題限制了其廣泛的應(yīng)用。TGV因具有電絕緣性能好、高頻衰減小、成本低、熱膨脹系數(shù)與硅匹配等優(yōu)勢，現(xiàn)在已成功應(yīng)用于射頻封裝、微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system, MEMS）封裝領(lǐng)域，將在芯片3D封裝中占據(jù)重要地位。

TSV技術(shù)和TGV技術(shù)的優(yōu)缺點

玻璃基板在芯片封裝中的應(yīng)用

1玻璃中介層

玻璃中介層是玻璃基板一種常見應(yīng)用形式,作為電氣互連層，被廣泛應(yīng)用于高性能集成電路封裝。玻璃中介層通過TGV技術(shù)實現(xiàn)高密度的電氣連接，被認為是有機中介層和硅中介層的有力替代品。

Zhong等將金剛石直接集成到芯片背面，并與玻璃基板進行異質(zhì)集成，構(gòu)建了一個高效的散熱系統(tǒng)。該研究采用納米層Cu/Au重結(jié)晶的低溫連接技術(shù)，將金剛石與硅芯片鍵合，并將此結(jié)構(gòu)封裝到玻璃基板上。玻璃基板作為中介層，其低熱膨脹系數(shù)與硅芯片的良好匹配有效減少了熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時玻璃基板優(yōu)異的電氣絕緣性能還可有效降低信號損耗和電氣干擾。

金剛石-芯片-玻璃中介層封裝集成和熱測試

資料來源：ZHONG Y, BAO S C, HE Y M, et al. Heterogeneous integration of diamond-on-chip-on-glass interposer for efficient thermal management[J]. IEEE Electron Device Letters, 2024, 45(3): 448-451.

2扇出型封裝

扇出型封裝是一種先進的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，通過在芯片周圍重新布線，提高封裝的輸入/輸出引腳數(shù)量密度和電性能。玻璃基板在扇出晶圓級封裝和扇出面板級封裝中表現(xiàn)出色，其低熱膨脹系數(shù)、高機械強度和優(yōu)異的電性能使其成為理想選擇。

Liu等提出了一種基于玻璃基板嵌入技術(shù)的扇出天線封裝結(jié)構(gòu)，通過在單面或雙面玻璃基板上嵌入再布線層技術(shù)來增加設(shè)計靈活性和改善天線輻射性能，最終得到了兩種優(yōu)化的天線設(shè)計，一種是具有7.6 GHz帶寬和4.7 dB增益的向上輻射天線；另一種是具有5.3 GHz帶寬和5.2 dB增益的向下輻射天線。玻璃基板在該創(chuàng)新封裝中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，適用于5 毫米波和其他高頻通信應(yīng)用。

玻璃嵌入式扇出天線封裝結(jié)構(gòu)

資料來源： LIU C H, LU R K, CHUNG H, et al. Glass-embedded fan-out antenna-in-packaging for 5G millimeter wave applications[J]. International Journal of Integrated Engineering, 2022, 14(6): 019.

3微機電系統(tǒng)封裝

微機電系統(tǒng)封裝是確保器件性能和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。玻璃基板在微機電系統(tǒng)封裝中不僅提供機械保護和電氣絕緣，由于其低熱膨脹系數(shù)，還在熱管理方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

Szyszk等介紹了一種基于MEMS技術(shù)的微型四極質(zhì)譜儀，下圖展示了微型四極質(zhì)譜儀的模塊布局，其中關(guān)鍵部件采用單晶硅制造，并通過硼硅酸鹽玻璃進行封裝和電氣絕緣。該裝置通過3D打印外殼確保機械穩(wěn)定性、元件對齊和電氣絕緣。這項研究展示了玻璃基板作為電絕緣和結(jié)構(gòu)支撐材料在MEMS器件中的應(yīng)用，成功實現(xiàn)了小型化、便攜性與合理性能的結(jié)合，適用于現(xiàn)場實時分析。

微型四極質(zhì)譜儀

資料來源： SZYSZKA P, JENDRYKA J, SOBKóW J, et al. MEMS quadrupole mass spectrometer[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2024, 411: 135712.

玻璃基板成分體系及理化性能要求

1玻璃基板的成分體系

芯片封裝用玻璃基板的成分體系主要包括以下三種主要類型：

1、硼硅酸鹽玻璃體系

硼硅酸鹽玻璃基板通常包含約80%的二氧化硅（SiO?）和12%~13%的氧化硼（B?O?）。這種玻璃體系具有以下特點：

（1）耐熱性好：能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定。

（2）熱膨脹系數(shù)低：與硅芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配，減少了因熱膨脹差異導(dǎo)致的應(yīng)力和變形。

（3）化學(xué)穩(wěn)定性高：在多種化學(xué)環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性。

2、鋁硅酸鹽玻璃體系

鋁硅酸鹽玻璃基板主要由二氧化硅（SiO?）和氧化鋁（Al?O?）組成，同時還包含少量的堿金屬氧化物（R?O）和堿土金屬氧化物（RO）。其主要特性包括：

（1）優(yōu)異的光學(xué)性能：適用于需要高透明度的應(yīng)用場景。

（2）高硬度和低表面張力：能夠抵抗劃傷和磨損，適合高機械強度需求的封裝。

（3）較低的熱膨脹系數(shù)：有助于在熱循環(huán)過程中保持尺寸穩(wěn)定。

3、無堿鋁硼硅玻璃體系

無堿鋁硼硅玻璃基板不含或僅含有極少量的堿金屬氧化物（通常質(zhì)量分數(shù)不超過0.1%）。其主要優(yōu)勢包括：

（1）優(yōu)異的電絕緣性能：能夠有效防止電信號的干擾和泄漏，特別適合高頻電子器件的封裝。

（2）良好的化學(xué)穩(wěn)定性：在酸、堿和有機溶劑中表現(xiàn)出色，能夠長期保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。

（3）高機械強度和低熱膨脹系數(shù)：適用于需要高可靠性和尺寸穩(wěn)定性的微機電系統(tǒng)（MEMS）器件，如加速度計、陀螺儀和壓力傳感器。

2玻璃基板的主要理化性能要求

玻璃基板在芯片封裝中的應(yīng)用對其理化性能提出了嚴格的要求。這些性能直接影響玻璃基板的加工和使用，進而決定了封裝電子器件的整體綜合性能。

TGV制作工藝過程

玻璃基板理化性能要求

1、介電性能

介電常數(shù)：玻璃基板的介電常數(shù)應(yīng)盡可能低，以減少信號延遲和寄生電容，提升高頻信號傳輸?shù)耐暾院托省８哳l應(yīng)用中，低介電常數(shù)的玻璃基板更具優(yōu)勢。

介電損耗：介電損耗正切（tan δ）是衡量材料在電場中能量損失的指標。低介電損耗意味著信號傳輸過程中能量損失少，信號強度和質(zhì)量更高。

2、熱性能

熱膨脹系數(shù)：玻璃基板的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與其他封裝材料（如硅芯片）相匹配，以減少熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。低熱膨脹系數(shù)有助于保持封裝結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性和可靠性。

熱導(dǎo)率：玻璃基板應(yīng)具有較高的熱導(dǎo)率，以有效散熱，防止芯片在工作過程中因過熱而損壞。

3、化學(xué)性能

耐腐蝕性：玻璃基板應(yīng)具有良好的耐化學(xué)腐蝕性能，特別是在氫氟酸等常用蝕刻劑中的穩(wěn)定性。這有助于確保玻璃基板在加工和使用過程中的化學(xué)穩(wěn)定性。

化學(xué)穩(wěn)定性：玻璃基板在酸、堿和有機溶劑中應(yīng)保持穩(wěn)定的化學(xué)性能，以防止材料性能退化。

4、機械性能

密度：玻璃基板的密度應(yīng)較低，以減輕封裝器件的重量，同時保持足夠的機械強度。

彈性模量：較高的彈性模量能夠確保玻璃基板在封裝過程中保持穩(wěn)定，減少變形和失效風(fēng)險。

硬度和耐磨性：高維氏硬度有助于提升玻璃基板的抗劃傷性和耐磨性，延長使用壽命。

斷裂韌性：較高的斷裂韌性能夠防止玻璃基板在受力時出現(xiàn)裂紋，確保封裝的完整性和穩(wěn)定性。

5、光學(xué)性能

透光率：玻璃基板應(yīng)具有高透光率，以確保光信號的有效傳輸，特別是在光學(xué)與電子器件的封裝中。

6、蝕刻性能

蝕刻速率：在玻璃通孔（TGV）加工中，適當?shù)奈g刻速率能夠確保獲得高深寬比、高垂直度的通孔，同時光滑的孔壁能夠降低電阻和電容效應(yīng)，提升信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度。

發(fā)展趨勢

（1）優(yōu)化介電性能

隨著高頻信號傳輸速率不斷提高，進一步降低介電常數(shù)和介電損耗的需求愈發(fā)迫切。應(yīng)考慮通過調(diào)控玻璃的微觀結(jié)構(gòu)來增強介電性能，從而提高玻璃基板在高頻應(yīng)用中的表現(xiàn)。

（2）提升機械性能

在頻繁的熱循環(huán)和高溫環(huán)境下，玻璃基板需要具備更高的機械強度和抗裂性能，以確保長期使用的穩(wěn)定性。如何通過材料改性或開發(fā)新的復(fù)合材料體系來增強玻璃基板的韌性和強度，仍是一個重要的技術(shù)瓶頸。

（3）改善加工工藝

盡管玻璃通孔（TGV）技術(shù)近年來備受關(guān)注，但其加工精度和表面質(zhì)量仍需進一步提升。同時，現(xiàn)有制造工藝的高成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用的可行性。因此，優(yōu)化TGV技術(shù)以提高精度并降低成本，已成為當前的關(guān)鍵研究方向。