TGV通孔双面电镀铜填充模式调控及工艺可靠性试验研究

通过双面电镀铜实现TGV(Through Glass Via)通孔部分实心填充,兼具TGV通孔密度高、TGV厚度尺寸范围大、热力学可靠性高、圆片级/板级工艺流程简单等优点,是“芯粒”2.5D/3D集成、光电共封装(Co-Packaged-Optics,CPO)等先进封装用TGV转接板潜在优选金属化路线.本文将介绍基于国产电镀药水体系和课题组设计电镀槽体通过电镀参数设计实现TGV通孔双面电镀铜填充模式的调控,实现了X型以及“桥型”直通型TGV孔金属化;据JEDEC标准试验研究了TGV通孔glass–Ti–Cu金属化体系在高温加速老化测试(Highly Accelerated Stress Test,HAST)、温度循环测试(Temperature Cycle Test,TCT)、高温存储(High Temperature Storage,HTS)等可靠性表现,验证了TGV部分实心填充金属化工艺优点,试验发现了TGV铜互连氦气漏率、直流电阻对HAST试验最为敏感,Ti–Cu界面微缺陷、贯穿性裂纹产生是HAST试验中TGV铜互连主要失效模式,揭示了TGV铜互连Cu–Ti–glass材料体系中Ti趋于向glass衬底扩散、Cu趋于向Ti层扩散,由此在Ti–Cu界面产生缺陷、形成微裂纹,为金属化材料体系选择与阻挡层厚度设计提供指导;展示了用于体硅RF MEMS器件圆片级封装TGV盖帽圆片、2.5D射频集成大面积TGV转接板样品、TGV转接板堆叠集成毫米波天线等,演示其圆片级工艺应用可行性,为后续集成应用做技术储备.

基于阴极往复运动的TGV电铸铜实心填充工艺

玻璃通孔(TGV)转接板因其具有优良的高频电学特性,在先进封装领域受到广泛关注。然而随着TGV深宽比的不断增加,采用传统的阴极定轴旋转式电铸工艺,其填充难度与成本将随之提高。为实现高深宽比TGV的无缺陷填充,减少电铸耗时和成本,提出一种基于阴极往复运动的TGV无缺陷镀铜填充新工艺。在仿真和实验的基础上,系统研究了阴极运动方式对TGV孔内电铸液传质、离子浓度、填充速率的影响。仿真和实验结果均表明,采用阴极往复运动能有效地保证TGV孔内各处离子浓度分布的均匀一致性,减缓浓差极化,从而提高沉积速率及其上限值。在不含任何添加剂的体系中,同等沉积电位条件下平均填充速率从阴极定轴旋转式电铸工艺的6.1μm/h提高至9.2μm/h。当电位为0.5 V时,阴极往复运动方式下平均填充速率达到45.2μm/h,且电铸铜填充层中未发现孔隙缺陷。这为在无添加剂电铸铜体系中实现高深宽比TGV的无缺陷电铸铜填充提供了一种可行的低成本方案。

玻璃通孔的高频传输性能

随着玻璃通孔(TGV)制作工艺的成熟,微波毫米波系统采用玻璃基板进行集成,其高频传输特性成为研究的重点。对玻璃通孔的互连设计、制作和传输性能进行研究。在玻璃基板上分别设计直通传输线和带两个TGV、等长传输线的TGV传输结构;通过激光改性、腐蚀扩孔和电镀填充的TGV工艺制作技术以及薄膜电路布线技术,在玻璃基板上制作直通传输线和TGV传输结构;采用矢量网络分析仪法分别测试直通传输线和TGV传输结构的插入损耗,计算得到单个TGV的插入损耗,结果显示在33~40 GHz频段内单个TGV插入损耗S_(21)≤0.2 dB,可以满足微波毫米波系统集成应用中对玻璃基板通孔的低传输损耗要求。

一种玻璃通孔晶片的研磨加工工艺

以玻璃通孔(TGV)晶片在减薄过程中出现的边缘破损问题为研究点,对减薄工艺展开了深入研究。通过优化研磨工艺参数,实现了对覆盖TGV晶片表面的硅层及玻璃层的选择性控制,使研磨后的晶片厚度提升至350μm以上,晶片完好无破损;通过增加磨削过程实现多余硅层的去除,有效避免了研磨过程中晶片与游星轮边缘的重复撞击对晶片造成的损伤。通过采取上述减薄方式,TGV晶片的边缘得到很好的保护,经过抛光验证,TGV晶片的边缘无破裂。分别采用微分干涉显微镜及白光干涉仪对TGV晶片的边缘及表面粗糙度进行观察与测试,结果表明,TGV晶片边缘光滑、平整,无破损,表面粗糙度为4.24 nm,满足后续使用要求。

面向TGV封装的纳米玻璃粉末回流工艺

基于玻璃通孔(TGV)技术的微电子机械系统(MEMS)封装可用于传感器无引线封装,研究了基于纳米玻璃粉末热回流工艺的新型TGV实现方法。采用球磨技术制备玻璃粉末,且通过研究干法和湿法球磨工艺,使粒径小于1μm的纳米玻璃粉末的分布占比之和达到95.6%。将纳米玻璃粉末填充到硅槽里,再经过高温回流后,获得TGV结构。回流的玻璃用于粘接硅片样品,粘接强度超过7 MPa。纳米玻璃粉末在1000℃真空条件下保温4 h,回流的玻璃能够有效填充带硅柱的大平面凹槽和高深宽比凹槽。该工艺为玻璃微加工和无引线封装提供了新思路。

高散热性能TGV转接板

随着玻璃通孔(TGV)转接板在微波系统集成中的应用越来越广泛,其微波大功率应用情况下的散热性能成为研究重点。针对TGV转接板高效散热性能的要求,进行TGV散热结构的设计和性能分析。建立TGV转接板封装集成结构的有限元模型,设计TGV转接板铜柱阵列散热结构。通过TGV工艺制作TGV高密度阵列。在4.82~14.47 W功率范围内对TGV转接板的散热性能进行测试,相应的TGV散热结构区域的热流密度为40.03~120.18 W/cm^(2),测得热阻芯片表面温度高达54.0~126.5℃,低于微波功率芯片最高结温150℃,可以满足大功率微波系统集成高效散热的需求。

圆片级封装用玻璃通孔晶片的减薄工艺

对圆片级封装用玻璃通孔（TGV）晶片的减薄加工工艺进行了研究并最终确定出工艺路线。该减薄加工工艺主要包括机械研磨及化学机械抛光（CMP）过程。通过机械研磨,玻璃通孔晶片的残余玻璃层及硅层得到有效去除,整个晶片的平整度显著提高,用平面度测量仪测试该晶片研磨后的翘曲度与总厚度变化（TTV）值分别为7.149μm与3.706μm。CMP过程使得TGV晶片的表面粗糙度大幅度降低,经白光干涉仪测试抛光后TGV晶片的表面粗糙度为4.275 nm。通过该减薄工艺加工的TGV晶片能够较好满足圆片级封装时的气密性要求。

SOI高温压力传感器无引线倒装式封装研究

绝缘体上硅(SOI)压阻式压力传感器理论工作温度可达450℃,但传统的器件在高温、振动以及高腐蚀环境中电连接容易失效。开展基于无引线倒装式封装芯片方法的研究。首先,在完成SOI压力传感器芯片制备的基础上,提出了基于阳极键合工艺和玻璃通孔填充(TGV)工艺的倒装式封装方案;其次,研究带有图形的硼硅玻璃和SOI阳极键合工艺,以及基于电镀工艺的通孔金属填充工艺,并对键合强度、键合界面、金属填充效果以及电连接性能进行测试;最后,针对封装好的芯片在常温环境下进行传感器气密性、电连接性能、线性度以及重复度等性能进行测试,进一步验证无引线倒装式封装方法的可行性和有效性。

玻璃通孔三维互连技术中的应力问题

玻璃通孔(Through glass via,TGV)三维互连技术由于具有优异的电学、光学特性,良好的力学稳定性和低成本等优势,在三维封装、集成无源器件和光电器件集成方面具有广泛应用前景。然而,玻璃通孔三维互连结构复杂,由多种材料间热膨胀系数不匹配引起的热应力将影响器件和封装的性能和可靠性,针对玻璃通孔三维互连技术的应力和可靠性问题,很多学者开展了相关研究。首先总结了TGV三维互连结构中的应力问题,包括TGV铜填充热应力理论模型、TGV孔完全填充或不完全填充铜在应力、局部应力集中引发的热机械可靠性问题。其次,针对TGV互连结构应力问题,总结了应力解析和有限元仿真分析进展,明确孔内填充聚合物可缓解残余应力及热应力,具有较高的抗热应力可靠性。最后,指出TGV互连应力和可靠性还存在亟待解决的问题。