深度解析TGV开孔工艺的核心测量技术

2025年玻璃通孔（TGV）技术与应用研讨会

为促进玻璃通孔（TGV）技术的学术交流与产业协作，无锡市集成电路学会和半导体在线将于2025年9月18-19日在无锡举办“2025年玻璃通孔（TGV）技术与应用研讨会”，欢迎参会、参展等合作。

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在当今追求“万物互联”和“万物智能”的时代，我们的手机、电脑、汽车乃至家用电器，都变得越来越小巧，功能却越来越强大。这背后，一场发生在微米甚至纳米尺度上的“精密革命”正在悄然进行。其中，TGV（Through Glass Via，玻璃通孔） 技术，正是这场革命中的一位“隐形冠军”。

想象一下，在薄如蝉翼的玻璃内部，打出成百上千个比头发丝还要细得多的通孔，再用金属将其完美填充，实现上下层之间立体互连。这无异于在玻璃上完成一场精密的“微雕绣花”。而这场“绣花”工艺的成功与否，完全取决于我们对TGV开孔关键参数的精确测量与控制。

今天，我们就来深入探讨一下，这些决定先进封装成败的核心参数，以及如何用“火眼金睛”般的技术手段将它们一一看清。

一、为什么是玻璃？为什么是TGV？

在介绍参数之前，我们首先要明白TGV为何如此重要。

与传统的硅基板或有机基板相比，玻璃拥有诸多先天优势：

• 优异的高频性能：玻璃的介电常数低、损耗小，非常适合5G、毫米波等高频应用。

• 极高的平坦度：为晶圆级封装和精细线路制作提供了理想平台。

• 优越的机械稳定性：热膨胀系数可调，与硅匹配性好，减少了热应力问题。

• 良好的热稳定性：能承受更高温度的工艺制程。

• 天生的绝缘性：避免了信号间的相互干扰。

TGV技术通过在玻璃基板中制作垂直互连，实现了芯片间的三维集成，广泛应用于射频前端模块（RF FEM）、微机电系统（MEMS）、高端传感器、2.5D/3D封装等领域。而这一切应用的前提，是必须制备出高质量、高精度的玻璃通孔。

二、 TGV开孔工艺的核心“体检指标”

制作一个TGV通孔，主流的工艺包括激光烧蚀（Laser Ablation）、深反应离子刻蚀（DRIE） 和光敏玻璃蚀刻等。无论采用哪种方法，我们都必须密切关注以下几组关键的“体检指标”：

指标一：几何形貌参数 —— 通孔的“身材”管理

这是描述通孔最基本物理尺寸的参数，好比是通孔的“身高”、“腰围”和“体型”。

1. 孔径（Diameter）：

• 扫描电子显微镜（SEM）：这是测量的“金标准”。通过将样品切开，在电子显微镜下直接观察截面并测量，结果最为精确可靠。缺点是它是破坏性的，不能对每个产品都这样做。

• 临界尺寸SEM（CD-SEM）：可以对晶圆上的通孔进行非破坏性的在线检测，快速测量顶部孔径，是生产线上的“哨兵”。

• 光学轮廓仪/白光干涉仪（WLI）：对浅孔或开口较大的通孔，可以非接触地快速测量顶部尺寸和深度。

• 是什么？ 通孔入口、出口和中间部位的直径。我们尤其关注顶部临界尺寸（Top CD） 和底部孔径。

• 为什么重要？ 孔径直接决定了互联密度和电学性能。孔径过大，会浪费宝贵的空间，降低集成度；孔径过小，会给后续的金属填充带来巨大挑战，容易产生空洞，导致开路或高电阻。

• 怎么测？

• 是什么？ 通孔的深度（Depth） 与最小孔径的比值（AR = Depth / Diameter）。这是衡量TGV工艺水平的核心指标。

• 为什么重要？ 高深宽比（例如10:1以上）意味着能在更小的占面积内实现更多互连，集成密度极高。但这也如同一个又深又窄的井，让后续的金属化工艺（沉积种子层、电镀填充）变得异常困难。目前，行业领先的工艺正在向20:1甚至更高的深宽比迈进。

• 怎么测？ 分别精确测量深度和孔径是关键。深度通常通过SEM截面或激光共聚焦显微镜测量，再通过计算得出比值。

• 是什么？ 孔壁与垂直方向的夹角。激光钻孔通常形成正锥度（上大下小）。

• 为什么重要？ 适当的锥度（通常1-5°）有利于后续工艺。锥度太小（近乎垂直），种子层覆盖和电镀填充困难；锥度太大，不仅浪费空间，还可能影响信号传输的完整性。

• 怎么测？ SEM截面分析是最直观的方法，通过图像分析软件可轻松测量角度。

• 是什么？ 通孔纵向截面的形状，如标准的锥形、理想的垂直形、不理想的沙漏形或鼓形。

• 为什么重要？ 不同的孔型对应力分布有显著影响。光滑、连续的孔型是理想状态，而异常的孔型可能是工艺参数设置不当的信号，会带来可靠性风险。

• 怎么测？ SEM和聚焦离子束（FIB） 是分析孔型的最佳工具。FIB可以像纳米手术刀一样，对特定位置进行精准切割和成像。

指标二：质量与缺陷参数 —— 通孔的“健康”检查

光有好的“身材”不够，还要有健康的“体质”。孔壁的质量直接关乎长期可靠性。

1. 重铸层（Recast Layer）：

• 高倍SEM：观察截面，重铸层与原始玻璃基体通常有轻微的对比度差异。

• 透射电子显微镜（TEM）：测量的“终极武器”。可以提供纳米级的分辨率，精确分析重铸层的厚度、微观结构和化学成分。但制样复杂、成本高昂，通常只用于深度研发和故障分析。

• 原子力显微镜（AFM）：通过对抛光后的截面进行纳米级表面轮廓扫描，可以间接评估重铸层。

• 是什么？ 激光加工时，瞬间高温熔化的玻璃材料未能被完全排出，又重新凝固并附着在孔壁上的非晶态物质层。它通常伴有成分变化和微观结构缺陷。

• 为什么重要？ 重铸层是TGV工艺的“伴生恶魔”。过厚或不均匀的重铸层可能包含微裂纹和杂质，是机械强度的薄弱点，并可能导致电气短路或绝缘失效。

• 怎么测？

• SEM高倍数观察：直接寻找孔口和孔壁边缘的裂纹。

• 染料渗透测试：一种快速、低成本的筛选方法。将样品浸入有色染料中，然后清洗表面，再在显微镜下观察。如果孔壁有裂纹，染料会渗入并被保留，从而显现出来。

• 是什么？ 激光热冲击或机械应力在玻璃中，尤其是在孔口边缘和重铸层内，诱发的微米级裂纹。

• 为什么重要？ 微裂纹是潜在的“致命伤”。在器件服役过程中，受到热循环或机械应力时，这些微裂纹极易扩展，最终导致整个玻璃基板开裂，器件彻底失效。

• 怎么测？

• 是什么？ 孔壁表面的光滑程度，通常用Ra（算术平均偏差）等参数表示。

• 为什么重要？ 对于高频电流来说，粗糙的孔壁会增加信号传输的损耗（趋肤效应）。同时，过于粗糙的表面也会影响种子层金属的连续性和均匀性。

• 怎么测？ 这是一个测量难题。原子力显微镜（AFM） 的探针需要深入孔内进行扫描，技术难度极大。目前，更多是依赖工艺优化来保证，并通过SEM进行定性观察。

三、 “体检”策略：在线监控与离线抽检相结合

在实际的大规模生产中，我们无法对每一个通孔都进行耗时冗长的SEM截面分析。因此，一套高效的测量策略至关重要。

• 在线监测（In-line Metrology）—— 生产线的“哨兵”：

• 工具：主要依赖CD-SEM和光学显微镜。

• 任务：快速、非破坏性地对每一片晶圆上的通孔进行顶部CD测量和宏观缺陷（如孔口缺失、堵塞）筛查。目的是实时监控工艺稳定性，一旦发现参数漂移超出控制线，立即报警，防止大批量废品的产生。

• 离线抽检（Off-line Metrology）—— 工艺的“医生”：

• 工具：SEM、FIB、TEM、AFM等。

• 任务：定期从生产线上抽取样本，进行破坏性的深度分析。精确测量深度、深宽比、锥度、孔型、重铸层厚度、微裂纹等在线工具无法触及的参数。目的是校准在线数据，深入理解工艺窗口，并针对失效产品进行根本原因分析。

只有将在线监测的“快”与离线抽检的“准”完美结合，才能构筑起TGV产品质量的坚实防线。

四、 挑战与未来

随着先进封装向更高密度、更高性能发展，TGV技术也面临着巨大挑战：

• 孔径更小：向微米级以下迈进。

• 深宽比更高：对测量和填充都是极限考验。

• 玻璃厚度更厚：满足多功能集成需求。

• 对测量技术的要求更高：需要开发更多非破坏性的、能深入孔内进行三维形貌和成分分析的量测技术，如高分辨率X射线显微镜、太赫兹技术等或许将成为未来的解决方案。

结语

TGV开孔工艺的测量，是一门融合了光学、电子学、材料科学的精密艺术。它虽隐藏在最终产品的背后，却是确保产品性能与可靠性的基石。正是在这些看不见的尺度上进行的极致追求，才支撑起了我们看得见的智能世界下一次次的飞跃。

每一次技术的进步，都始于测量精度的提升。在这片玻璃上的“微雕”世界，测量家的“尺子”，量出的不仅是微米的尺寸，更是通向未来的维度。