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返回 当前位置: 首页 热点财经 广发机械 | AI珠峰系列十五:玻璃基板:封装材料的变革,产业化奇点将至

股市情报:上述文章报告出品方/作者:广发证券研究;仅供参考,投资者应独立决策并承担投资风险。

广发机械 | AI珠峰系列十五:玻璃基板:封装材料的变革,产业化奇点将至

时间:2026-07-10 07:00
上述文章报告出品方/作者:广发证券研究;仅供参考,投资者应独立决策并承担投资风险。


玻璃基板优势明显,有望成为先进封装的下一代材料选择。目前已经成为先进封装材料体系的重要发展方向,下游应用场景也正从新型显示向半导体先进封装、光通信领域延伸。TGV玻璃通孔加工是玻璃基板的关键,钻孔、填空及高密度布线是核心工艺。




摘 要


玻璃基板优势明显,有望成为先进封装的下一代材料选择。相比传统的硅及有机物材料,玻璃具有低热膨胀系数、高机械强度、优异电气隔离性能与低高频信号损耗等优势,目前已经成为先进封装材料体系的重要发展方向,下游应用场景也正从新型显示向半导体先进封装、光通信领域延伸。先进封装领域,玻璃材质的引入可以取代原先的硅中介层和有机基板,配合板级封装工艺,能够大幅提高晶圆利用率的同时,提升基板的传输速率和带宽密度。光通信领域,根据2025IEEE75届电子元件与技术会议上康宁研究团队成果汇报,玻璃基板可以在表面制备光波导电路,从而实现光-电协同封装的高密度集成,有望成为102.4 Tbps及更高带宽CPO应用的关键技术路径之一。

产业巨头加码布局,玻璃基板进入产业化倒计时。AI对于算力芯片基础性能和产能的需求正倒逼产业巨头加速推进玻璃基板的产业进程,例如英特尔已经首次实现了大层数厚玻璃核心基板的制造,同时首次实现了光波导的共集成;台积电正积极推进CoPoS封装技术,布局玻璃基板替代硅中介层,根据成都迈科官方公众号援引Commercial Times报道,台积电CoPoS中试生产线已于2月启动设备交付。除此之外,英伟达、苹果、三星、LG等厂商也在纷纷布局玻璃基板工艺,玻璃基板已经进入产业化倒计时。

TGV玻璃通孔加工是玻璃基板的关键,钻孔、填空及高密度布线是核心工艺。玻璃基板的加工涉及打孔、填空以及RDL重布线等步骤,目前TGV加工面临的挑战主要集中在TGV的通孔成孔工艺以及TGV的高质量填充两方面。(1)通孔成孔方面:制造高深宽比、窄间距的高质量玻璃通孔是决定玻璃基板性能的核心环节之一,目前激光诱导刻蚀法有望成为主流工艺。(2)通孔填空方面:玻璃材料表面光滑 常见金属粘附性差,因此需要借助自下而上填充、蝶形填充、共形填充、孔内壁电镀填充等方法以实现高密度的孔内填充。(3)高密度布线方面:玻璃表面的高密度布线难度大于有机材料或硅材料,需要借助线路转移(CTT)、光敏介质嵌入(PTE)、mSAP等工艺来实现高密度布线。

投资建议。TGV玻璃通孔工艺是玻璃基板加工的重要工艺,涉及激光钻孔、金属填充、高密度布线等环节。(1)我们建议关注高深宽比玻璃微孔加工带来的激光设备需求。


风险提示

玻璃基板工艺推进不及预期,半导体行业波动的风险,先进封装市场增长不及预期的风险。



正 文



一、玻璃基板:先进封装的下一代材料,产业巨头加码入局

(一)玻璃基板:玻璃优势显著,应用场景正从新型显示向半导体先进封装、光通信领域延伸

相较传统的硅、有机物基板,玻璃基板的优势明显。根据《玻璃通孔技术研究进展》(陈力等),玻璃基板的应用优势在于:

1. 低成本:受益于大尺寸超薄面板玻璃易于获取,以及不需要沉积绝缘层,玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8

2. 优良的高频电学特性:玻璃材料是一种绝缘体材料,介电常数只有硅材料的1/3左右,损耗因子比硅材料低 2~3 个数量级,使得衬底损耗和寄生效应大大减小,可以有效提高传输信号的完整性;

3. 大尺寸超薄玻璃衬底易于获取:康宁以及肖特等玻璃厂商可以量产超大尺寸(大于2 m×2 m)和超薄(小于50μm)的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料;

4. 工艺流程简单:不需要在衬底表面及TGV内壁沉积绝缘层,且超薄转接板不需要二次减薄;

5. 机械稳定性强:当转接板厚度小于100μm时,翘曲依然较小;

6. 应用领域广泛:除了在高频领域有良好应用前景之外,透明、气密性好、耐腐蚀等性能优点使玻璃通孔在光电系统集成、MEMS封装领域有巨大的应用前景。

玻璃基板主要用来取代原先的硅/有机物基板和中介层,可应用于面板、IC等泛半导体领域:

1. 新型显示领域:玻璃基板的应用已经得到验证

目前玻璃基板在新型显示领域的渗透目标主要是Mini/Micro LEDMLED)。玻璃基Mini/Micro LED也叫COGChip on Glass),即LED发光晶体直接封装在TFT玻璃基板(或者TFT树脂基板)上的LED显示单元封装技术。

面板领域采用玻璃基板的优势在于:(1)相对来说导热率更高、散热性更强、受热膨胀率更低,可以有效应用于密度较高的MLED焊接,满足复杂的布线需要;(2玻璃基板平坦度高,芯片转移难度较PCB低;(3)玻璃刚性较好,在多组背光单元拼接时,玻璃基板可以满足高精度拼接需求,减少拼接产生的拼缝问题。

玻璃基已用于Mini LED产品。根据沃格光电2023年年报,在Mini LED基板方面,玻璃基板取代PCB板的优势在于具有更优的性能和成本优势。玻璃基低胀缩以及高平整度的特性可以更好支持真正的Mini Led芯片的COB封装,同时在高端产品以及高分区、窄边框、低OD值上都有优于PCB基板的良好表现。特别是在车载显示领域,玻璃基Mini LED背光在拥有Mini LED技术寿命长、高亮度、高色域饱和度以及低成本优势的基础上,依靠玻璃材质的高平整性、低涨缩比及超薄特性在大屏化和轻薄化,具有较明显的应用优势。

京东方已经实现了玻璃基Mini LED产品在高端系列的量产商用。根据京东方官网,其Mini LED TV显示的旗舰系列产品(包括55"DID65"TV75"TV85/86"TV)全部采用玻璃基(COG)技术,可以实现大尺寸65整板的拼接。

Micro LED直显领域,持续发力。根据《新型玻璃基Micro-LED曲面弯折拼接显示技术研究》,随着LED芯片和像素间距变得越来越小,Micro-LED显示背板在固晶焊接时,单位面积上会产生更高的热量密集。PCB基板由于其自身散热性的限制,会存在翘曲变形的风险,所以将Micro-LED芯片直接转移到PCB基板上的工艺难度会越来越高。相比之下,玻璃材料的散热性好、受热膨胀率低可有效地应用于密度较高的Micro-LED焊接。除此之外,玻璃基在透明显示领域亦有着得天独厚的优势,能很大程度地丰富Micro LED产品的多样性。

京东方、TCL华星均有玻璃基Micro LED直显产品布局。根据京东方官网,京东方自主研发的MircoLED直显COG产品采用玻璃基板,其点间距达到0.9mm,搭载主动式点对点的直驱方式,无频闪低蓝光的特性让其在画质、护眼等方面大幅提升。TCL华星也在2021年就展示了首款125”玻璃基透明直显Micro-LED产品。

2. 半导体先进封装领域:替代硅基材料,先进封装材料的下一代方案

玻璃基板直接利用玻璃中介层(Glass Interposer)实现芯片之间、芯片与外部的互联,利用玻璃材质成本低、电学性能好、翘曲低等优点来克服有机物材质和硅材质的缺陷,来实现更稳定、更高效的连接以及降低生产成本,有望为2.5D/3D封装带来全新的范式改变。

2.5D封装方面:玻璃材质的引入可以取代原先的硅中介层和有机基板。在目前的2.5D封装中,以较为主流的台积电的CoWoS封装为例,是先将半导体芯片(CPUGPU、存储器等)通过Chip on WaferCoW)的封装制程一起连接至中介层(Interposer)上,再通过Wafer on SubstrateWoS)的封装制程将硅中介层连接至底层基板上;其中,中介层(interposer)一般选用硅(COWOS-S)、有机物(COWOS-R)或者是硅和有机物的结合(COWOS-L)。根据《Heterogeneous integration for AI applications: status and future needs》,可以看到玻璃中介层对比硅中介层,拥有更低的介电常数、更短的互联长度和更高的传输速率(约提高3.5倍)以及带宽密度(提高约3倍),同时能耗可以有效降低约2倍,玻璃中介层的优势较为明显。

3D封装方面:TGV玻璃通孔可以在玻璃上制作空腔,进而为芯片的封装提供一种名为嵌入式玻璃扇出(eGFO)的新方案。根据《Heterogeneous integration for AI applications: status and future needs》,这种架构不需要逻辑芯片中的TSV来建立较短的互连长度,因此可以提高信号完整性,减少昂贵芯片的占用空间,并降低整体系统成本。该解决方案由多个嵌入式芯片和使用RDL连接的组装芯片(玻璃制成)组成,目前这种封装的IO间距可以做到20μmL/S2/2μm,并拥有三个金属层,在传输效率、带宽密度、能耗上均有明显优势。

在异质集成芯片的最终方案设计规划中,玻璃基板材料会是重要一环。根据宾夕法尼亚大学的预测,未来随着封装工艺的演进异质集成将成为芯片发展的主流路径,参考其给出的未来10年后的超高封装密度集成芯片结构,可以看出如果需要将各模组都集成在同一芯片中,对组件小型化、基板材质都提出了很高的要求。玻璃基板翘曲低、电学性能优异的特点将使其成为下一代核心基板材料的不二之选。

3. 光通信领域:玻璃内集成光波导实现光电融合,光互联方案的新一种解

根据《Photonic Interconnects in Glass Core for AI Data Center Applications》(Md Rayid Hasan Mojumder等),基于玻璃基板的集成光子互联能够横向和纵向传输信号,利用诸如 45° 反射镜之类的光学元件,光线可以从横向弯曲到纵向,单位面积内高密度互连的可能性使得可以直接利用光子工艺的封装尺寸,这将极大地提高单位面积每皮焦耳能量的总带宽密度。

玻璃基板可实现板级光互连与3D集成,两项技术通过协同设计可以实现CPO系统级集成。根据2025IEEE75届电子元件与技术会议上康宁研究团队成果汇报,一方面,采用热离子交换(IOX)工艺,Corning NYFraunhofer IZM的研究团队首次制备了面板级扇出型玻璃波导电路,可以替代光纤实现计算单元与CPO模块的高效互连;另一方面,借助TGV工艺(玻璃通孔),玻璃基板可将光芯片与电芯片进行3D封装,已实现光-电协同封装的高密度集成,未来通过进一步优化(如波导损耗降至<0.04 dB/cm、提升TGV深宽比),玻璃基板有望成为102.4 Tbps及更高带宽CPO应用的关键技术路径之一。

(二)算力巨头加码入局,玻璃基板先进封装进入产业化倒计时

算力芯片领域,巨头积极投入研发。目前人工智能对数据中心和传输效率提出了更高的要求,尤其是对低功耗、高带宽的光模块的需求更加迫切,而高算力Chiplet芯片离不开CowosFOEB等先进封装平台。因此,随着AI芯片尺寸/封装基板越来越大,玻璃基封装被各大公司提上日程,期望玻璃基板能够构建更高性能的多芯片系统级封装(SiP)。

1. 英特尔最早布局玻璃基板的厂商之一,积极探索玻璃芯基板材料路线

英特尔认为玻璃基板有望成为下一代主流的基板材质。根据ANANDTECH引用的Intel展示PPT,复盘芯片基板的发展历史,自1970年引线框架大规模使用于芯片封装后,英特尔认为半导体行业主流的基板技术将会每15年改变一次,未来行业将会迎来玻璃基板的转变,而从有机板到玻璃基板的这个转变将在近10年发生,同时英特尔也认为玻璃基板的出现并不会马上完全取代有机板,而是会在未来一段时间内和有机板共存。

根据三叠纪官网,早在十年前英特尔就开始寻找有机基板的替代品,并在亚利桑那州的CH8工厂投资十亿美元试生产玻璃基板。20239月英特尔展示了一款功能齐全的基于玻璃基板的测试芯片,该芯片使用75微米的玻璃通孔,深宽比为20:1,核心厚度为1毫米。

2026年第76IEEE电子元件与技术会议(ECTC)上,Intel Foundry团队发布了玻璃芯基板的量产级技术突破。根据《Glass Core Substrates – Next Generation Advanced Packaging Platform for AI and HPC》,玻璃材料天然支持电通孔与光波导的共集成,是构建光电融合封装平台的理想载体。

1)玻璃通孔制备:英特尔采用激光辅助刻蚀(LAE)工艺解决,利用超短高峰值脉冲激光实现玻璃材料的局域改性,最终可制备出表面光滑、低崩边的玻璃通孔。通过工艺优化,该方案可制备低锥度、高深宽比、更小节距的通孔结构,满足超百万IO密度、复杂非均匀图案的制备需求,可实现6:1(超低微米节距)、10:130:1等多种深宽比的通孔,以及混合通孔结构。

2)面板级无空洞全铜填充:英特尔采用面板级电解电镀工艺实现通孔的铜填充。X射线检测与截面表征结果显示,填充后的玻璃通孔完全实现全铜填充,无空洞与其他工艺缺陷。此外英特尔采用行业最严苛的TSC热冲击条件进行测试:测试温度区间为-50 125,介质为全氟烃。经过750次循环测试后,镀铜玻璃通孔未出现玻璃开裂或任何缺陷。这一结果充分验证:即便存在玻璃与铜的CTE失配,金属化玻璃芯仍具备足够的可靠性,可支撑后续完整制程。

3RDL重布线:英特尔采用标准湿法半加成工艺(SAP)制备重布线层(RDL)。整个制程在传统有机基板生产线上以面板级规模完成,无需建设专属产线,大幅降低了技术落地的成本与门槛,也为行业快速采纳该技术提供了可能。

4)光电融合,玻璃内集成光波导:英特尔采用飞秒激光直写技术制备玻璃内光波导:通过紧聚焦的超短脉冲激光,在玻璃本体内部形成嵌入式三维波导结构。由于折射率变化仅局限于焦点周围的极小体积内,通过控制光束的三维移动轨迹,即可完成任意路径的波导制备。该技术可实现<0.1dB/cm的低传输损耗、<20μm的波导节距、>300nm的宽光谱带宽,波导制备深度可覆盖玻璃基板的全厚度。

基于此次研究,英特尔首次实现了大层数厚玻璃核心基板的制造。基板为10-2-10堆叠结构,集成全铜填充玻璃通孔与嵌入式硅桥(EMIB),最终完成24层玻璃芯基板面板制备,面板尺寸达510×515mm。完成24层制程后,面板翘曲程度极低,且在顶层嵌入了2EMIB结构,用于实现芯粒间的高密度精细互连。相比有机核心基板,玻璃核心基板的材料特性直接转化为封装性能的全方位提升,层间对准精度显著提升,高温翘曲大幅降低。

此外,本次研究首次实现了电学玻璃通孔与光波导在同一块玻璃基板上的共集成。测试结果显示,波导的插入损耗平坦且一致性优异,总波动幅度约0.1dB,玻璃通孔的存在未对波导的传输性能产生负面影响,充分验证了光电融合玻璃基板的技术可行性。

2. 台积电:积极推进CoPoS封装技术,布局玻璃基板替代硅中介层

CoPoS中试线推进中。目前台积电的主要封装工艺为CoWoS,即采用硅中介层作为互联材料,而CoPoSChip-on-Panel-on-Substrate)是台积电推出的新一代先进封装技术,核心是采用矩形玻璃基板替代硅作为中介层,一方面玻璃基板电学性能好、翘曲低、可以实现更大的封装面积,带来更加高效稳定的连接;另一方面玻璃材料成本低,且通过使用大型矩形面板替代传统的圆形硅晶圆片,可以大幅提升晶圆材料利用率与生产效率,降低成本。根据成都迈科官方公众号援引Commercial Times报道,台积电CoPoS中试生产线已于2月启动设备交付。

台积电已向设备端传达玻璃基板开发计划,进入产业化验证阶段。根据台湾电子时报报道,设备端称台积电近期向供应链发布“CoWoS玻璃基板开发计划,确定携手ABF载板厂商Ibiden与面板厂商群创,共同验证玻璃基板导入CoWoS先进封装的可行性,希望解决未来大型AI芯片封装在翘曲、热管理、信号传输及供电等方面的挑战。这是台积电首次公开玻璃基板技术应用进程,意味着玻璃基板正式跨入产业化验证阶段。

3. 其他厂商:均加速布局玻璃基板及TGV工艺

除了英特尔、台积电等,英伟达、苹果等厂商也在纷纷布局TGV工艺。除了上文我们所提到的英特尔、台积电等公司正在持续押注玻璃基板和TGV工艺,英伟达、苹果等一众芯片厂商也都将TGV纳入发展规划中。根据三叠纪官网,英伟达指出AI所需的网络连接带宽将激增32倍,继续使用传统光模块将导致成本翻倍和额外的20-25%功耗,而使用玻璃基板、从玻璃基板边缘进行插拔互联有望可以降低近50%的功耗,成为满足AI高算力需求的高效能比解决方案。此外,苹果公司也正在积极与多家供应商商讨将玻璃基板技术应用于芯片开发,以提供更好散热性能,使芯片在更长时间内保持峰值性能。可以预见的是,未来一段时间内玻璃基板将成为各大厂商竞争的新场景。

三星、LG等公司也均入局玻璃基板领域。根据EET China,三星集团已联合三星电子、三星显示、三星电机等旗下公司组建了一个新的跨部门联盟,着手联合研发玻璃基板,推进商业化。在241月的CES 2024上,三星电机已提出今年将建立一条玻璃基板原型生产线,目标是2025年生产原型,2026年实现量产。根据三叠纪官网,2024325LG Innotek也宣布入局玻璃基板的开发,将半导体基板做到第一是他们的业务目标。日本Ibiden也在2310月宣布拟将玻璃基板作为一项新业务研发,当前Ibiden正处于半导体封装用玻璃芯基板技术的探索阶段。


二、TGV玻璃通孔:玻璃基板加工的核心工艺

TGV技术是TSV技术的延续,主要区别在于引入了基板种类的变化。TSVThrough Silicon Via)是指通过在硅中介层打孔的方式实现实现垂直互联,而与之对应的TGVThrough Glass Via,玻璃通孔)是指穿过玻璃基板的垂直电气互连,它们都通过在中介层打孔并进行电镀填充来实现垂直方向的电气互联,以此来降低信号传输的距离,增加带宽和实现封装的小型化。而与TSV不同的是,TGV的中介层基板使用的是高品质硼硅玻璃、石英玻璃,以此来取得比硅中介层更好的封装表现,被认为是下一代三维集成的关键技术。

TGV作为TSV的低成本替代方案,逐渐受到广泛关注。根据《玻璃通孔技术研究进展》(陈力等),硅基转接板2.5D/3D集成技术作为先进系统集成技术,近年来得到了迅猛的发展,但硅基转接板存在两个主要问题:(1)成本高,硅通孔(TSV)的制作采用硅刻蚀工艺,随后硅通孔需要氧化绝缘层、薄晶圆的拿持等技术,步骤复杂且流程较长;(2)电学性能差,硅材料属于半导体材料,传输线在传输信号时,信号与衬底材料有较强的电磁耦合效应,衬底中产生涡流现象,造成信号完整性较差(插损、串扰等)。

TGV省去了沉积隔离层、绝缘层的过程。TGV的制备流程包括,先玻璃基板上进行打孔,然后采用电镀的方法将Cu沉积在基板通孔和正反面已实现电气连接,然后采用CMP的方法将表面Cu层去掉,最后采用PVD镀膜光刻方法制备RDL重布线层,去胶后最终形成钝化层。与TSV的制备流程对比,TGV省去了在衬底表面及TGV内壁沉积绝缘层的步骤(由于铜可以与硅发生反应,因此需要沉积绝缘层、隔离层),并由于玻璃基板本身就可以做的很薄,还可以省去二次减薄的过程。

由于TSV技术目前相对比较成熟,已经大规模应用在高带宽存储器HBM的生产中,因此TGVTSV相同的制备步骤(d~h)可以借鉴TSV的成功经验,技术成熟度相对比较高。根据《玻璃通孔三维互连镀铜填充技术发展现状》(纪执敬等),目前TGV中介层面临的挑战主要集中在TGV的通孔成孔工艺以及TGV的高质量填充两方面。

(一)玻璃通孔成孔技术:制作高精度的通孔/盲孔,激光诱导刻蚀法有望成为主流工艺

玻璃通孔成孔技术是制约TGV发展的主要困难之一。TGV通孔的制备需要满足高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求,如何制备出高深宽比、窄节距、高垂直度、高侧壁粗糙度、低成本的玻璃微孔一直是多年来各种研究工作的重心。根据《三维集成封装中光敏玻璃通孔制备工艺研究》(王刚),目前主流的玻璃通孔加工成型方法有喷砂法、聚焦放电法、等离子刻蚀法、激光烧蚀法、电化学放电法、光敏玻璃法、激光诱导刻蚀法等。

激光诱导刻蚀法是目前最有大规模使用前景的工艺。激光诱导刻蚀法加工步骤:通过脉冲激光诱导玻璃产生连续的变性区,相比未变性区域的玻璃,变性玻璃在氢氟酸中刻蚀速率较快,基于这一现象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。根据《玻璃通孔三维互连镀铜填充技术发展现状》(纪执敬等),德国LPKF公司率先用该技术实现了玻璃通孔制备,该公司将该方法分为两步:1. 使用皮秒激光在玻璃上产生变性区域;2. 将激光处理过的玻璃放到氢氟酸溶液中进行刻蚀,该工艺可以制备孔径最小为10μmTGV通孔,典型深宽比在10:1的范围内,某些特殊条件下根据玻璃类型可达到50:1。国内方面,厦门云天半导体科技有限公司成功开发了先进TGV激光刻蚀技术,实现了深宽比为10:1的玻璃通孔量产,研发结果显示,该技术可以制备深宽比为20:1的通孔和5:1的盲孔,且具备较好的形貌。

工艺特点:激光诱导刻蚀法的反映机理与上文展示的光敏玻璃法类似,都是通过某种光线的照射使得玻璃内部出现变性区域,然后通过酸溶液湿法刻蚀完成,区别在于激光诱导刻蚀法无需使用特殊的光敏玻璃。此外,激光诱导刻蚀法的优势还包括:1.可以在50~500μm 厚的玻璃上形成孔径大于20 μm的玻璃通孔,成孔质量均匀,一致性好,无裂纹;2. 成孔速率快,可达到290TGV/s3. TGV形貌可调,由于刻蚀的各向异性,可以通过调节激光参数来控制TGV的垂直度和形貌。但也具有激光诱导速度慢、制备过程复杂、激光诱导孔径受激光范围限制、表面易损伤及对材料要求高等缺点。

(二)玻璃通孔填孔技术:高质量进行金属填充

除了TGV成孔技术外,限制玻璃通孔应用的另一个技术难点是高质量的金属填充。一方面,与TSV不同,TGV孔径较大,且多为通孔,且受刻蚀工艺的影响,TGV孔的形状不同,主要有盲孔、垂直通孔、X型通孔以及V型通孔四种类型,这些对铜的沉积构成了较大的挑战,容易形成孔的堵塞;另一方面,与硅材料相比,由于玻璃表面光滑,与常用金属的粘附性较差,容易造成玻璃衬底与金属层之间的分层现象,导致金属层卷曲甚至脱落的现象。

为了实现TGV的无孔洞、无缝隙填充,针对不同的孔形填充方式也各不相同。目前主要的填充工艺包括自下而上(Bottom-up)填充蝶形填充Butterfly ModelBFT共形填充(Conformal三种填充方式。

1. Bottom-up填充:盲孔的主要填充方式

目前,对于TGV盲孔的主要填充方式是Bottom-up的填充。通过在TGV孔口侧壁及表面添加抑制剂,在盲孔底部添加加速剂的方式,可以在抑制TGV孔口侧壁及表面铜的沉积速度的同时,加速盲孔底部的Cu沉积,从而让Cu形成一种自下而上的填充方式来确保整个盲孔的填充过程中没有孔洞和缝隙的出现。

2. 蝶形填充:垂直TGV通孔的主要填充方式

目前,垂直TGV通孔的电镀填充方式一般为蝶形填充(BFT填充)。与盲孔填充相比,通孔填充在流体力学与质量传输方面存在明显差异。盲孔填充时,镀液在孔内很难流动,而镀液可以在通孔内部流动从而加强通孔内部的传质。且通孔与盲孔的几何形状不同,没有盲孔所谓的底部,不会产生自下而上的填充方式。由于通孔与盲孔在几何形状、流场、质量传输等方面的差异,导致用于盲孔填充的电镀配方无法直接用于通孔的电镀填充。

蝶形填充的流程包括:1. TGV通孔壁上按照两边多,中间少的方式涂抹抑制剂,从而影响通孔内次级电流的分布,让铜在孔的中心进行优先沉积的填充,形成类似蝴蝶的形貌,故称之为蝶形填充;2. 当通孔的蝴蝶形状形成后,通孔转变为两个对称的盲孔,填充方式由蝶形填充转变为Bottom-up填充,形成对通孔的完全填充。

Dimitrov 课题组提出了一种高深宽比TGV通孔电镀的改良方案。首先使用酒精对TGV进行预润湿,然后在不含添加剂的甲基磺酸铜镀液中预先沉积一定厚度的铜,紧接着使用四唑类添加剂噻唑蓝溴化四唑(MTT)作为抑制剂,在恒定电流和恒定电压的模式下对TGV进行电镀填充。通过使用这种改进的工艺,可以在1h4h内实现对深宽比为5:110:1TGV的完整填充,且与TNBTNTBC相比,成本较低(MTT:NTBC:TNBT=1:8:14)。但是该工艺的流程相对复杂,工业化生产难度较大,不过甲基磺酸铜镀液所允许的Cu2 浓度(1.5 mol·L-1)远远大于硫酸铜镀液(0.9 mol·L-1),可以提高电镀填充的速率,对于高深宽比的TGV通孔填充更具意义。

3. Conformal填充:XV型通孔的主要填充方式

Conformal填充是通过添加剂的作用使得TGV孔内铜的沉积速率与孔的侧壁以及表面的沉积速率相当的一种电镀方式。对于垂直的盲孔与通孔,conformal 填充模式下随着填充过程的进行,其深宽比不断增大,在填充的最后阶段容易出现孔洞缺陷,而X形、V形通孔由于其自身特殊孔形的原因,从根本上避免了中央孔洞缺陷的形成,例如,X形通孔的中间区域较窄,在两侧Cu等速沉积的情况下会先于通孔中央形成连接,然后逐步向上下两个方向进行类似“Bottom-up”的填充。相比于垂直通孔的 BFT电镀模式,Conformal的电镀模式由于加速剂的使用以及TGV孔形的原因,可以实现更大电流密度下通孔的完整快速填充。

4. TGV孔内电镀薄层

除了以上三种TGV电镀填实工艺,TGV也可采用通孔内电镀薄层方案实现电学连接。根据《玻璃通孔技术研究进展》(陈力等),在电性能方面薄层电镀与实心电镀的插入损耗差别较小,采用薄层电镀方案的优势是在保证电学性能的同时可以有效减小电镀时间和电镀成本。通常电镀填孔需要现在玻璃通孔壁上沉积金属粘附层如钛(Ti)、铬(Cr)等种子层,然后再进行Cu电镀,否则会出现脱落等现象。根据NSC日本株式会社官网,相比电镀填实工艺,通孔内电镀薄层的孔深和孔径适用范围都更大,应用范围更广。

(三)玻璃基板高密度布线

在完成玻璃通孔的制备后,需要在玻璃基板表面进行布线来实现互联互通的电气连接,相对于有机衬底而言,玻璃表面的粗糙度小,所以在玻璃上可以进行高密度的布线操作。但由于半加成工艺法在线宽小于5μm的时候会面临许多挑战,例如在窄间距内刻蚀种子层容易对铜走线造成损伤且窄间距里的种子层残留易造成漏电,因此针对玻璃基板的表面高密度布线,学界和业界也有不同工艺路线的探索。

1. 线路转移(CTT)和光敏介质嵌入(PTE

针对在玻璃表面直接进行窄距布线会造成缺陷的问题,刘富汉等人研究开发了线路转移(CTT)和光敏介质嵌入(PTE)。根据《Advances in Embedded Traces for 1.5µm RDL on 2.5D Glass Interposers》,CTTCopper Trace Transfer,线路转移)主要包括两个过程:1. 预制RDL线路:首先在可移动载体上单独制造一层薄导电层,通过光刻、电镀和去胶制作出RDL线路,并在转移到基板上之前测试或检查细线成品率。2. RDL层集成:完成RDL层的制备后,先在玻璃中介层的两面利用钝化胶形成钝化层,随后使用热压合的方式将预制RDL层转移到钝化层上,最后去除载板和导电胶。

PTEPhoto Trench Embedding,光敏介质嵌入)的详细工艺流程包括:1. 首先刻蚀基板下侧铜箔,并使用真空压膜机在基板上侧压合感光膜;2. 随后在光刻图案化后进行种子层沉积,采用物理气相沉积(PVD)分别沉积TiCu作为阻挡层和种子层,接着采用电镀工艺填充沟槽;3. 沟槽填充完成后,使用化学腐蚀剂刻蚀掉上表面的铜从而露出线路。

2. 多层RDL2.5D玻璃转接板技术

在多层RDL制备领域,乔治亚理工学院的LU等研究了多层RDL2.5D玻璃转接板技术,实现了面板级光刻后1.5~5 μm的线条沟槽制备,并提出改进式半加成工艺法(mSAP)达到了5 μm以下低成本的线宽制作工艺,即用旋转金刚刀取代昂贵的CMP对层间RDL表面平坦化,进而做到低成本多层RDL堆叠。其工艺步骤包括:1. 在第一层RDL上进行压膜;2. 通过光刻和溅射制作通孔并暴露出第一层 RDL的铜焊盘,然后进行种子层溅射;3. 随后将高分辨率的光刻薄膜层压在基板,进行曝光显影来显露第二层的RDL图案;4. 随后采用电镀工艺填充通孔形成RDL线路,并用旋转金刚刀进行表面平坦化,去除光刻薄膜并完成种子层刻蚀。


风险提示

(一)玻璃基板推进不及预期

目前TGV和玻璃基板的应用主要集中在显示领域和低端半导体领域,在高端算力芯片领域仍处于研发验证阶段。如果后续玻璃基板由于技术成熟度不够、成本优势不足、产量受限等原因无法大规模量产商用,会对相关公司的经营造成影响。

(二)半导体行业波动风险

半导体行业具有较强的周期性,全球半导体行业在技术驱动和宏观经济的影响下呈周期波动发展。宏观经济波动、半导体下游行业产品生命周期变化、半导体产业技术升级、终端消费者消费习惯变化均可能导致半导体周期转换,对相关公司的经营业绩稳定性造成影响。

(三)先进封装市场规模增长不达预期的风险

先进封装对工艺的要求较高,如果未能如预期实现高渗透率,市场规模将不及预期,从而影响产业链各厂商的业绩表现。

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