中國粉體網(wǎng)訊  在高性能計算、人工智能快速發(fā)展的當下，半導體行業(yè)對芯片集成規(guī)模和封裝基板性能的要求越來越高。過去常用的有機基板在解決大尺寸封裝翹曲問題上力不從心，而玻璃基板憑借出色的機械性能、熱穩(wěn)定性和平整度，成為下一代先進封裝的“潛力選手”。不過，玻璃基板上的關鍵結構——玻璃通孔（TGV），卻一直被應力問題困擾。

TGV是實現(xiàn)玻璃基板上下電路連通的核心通道，通常需要用銅填充。但銅和玻璃的熱膨脹系數(shù)差異很大，在封裝加工的升溫、降溫過程中，兩者收縮或膨脹的程度不同，會產生巨大的熱應力。這種應力可能導致玻璃開裂、銅與玻璃分層，嚴重影響封裝的可靠性和使用壽命。之前行業(yè)常用聚酰亞胺（PI）作為緩沖層緩解應力，但PI在高溫燒結時容易降解，無法適配后續(xù)的化學鍍金屬化工序，應用受限。

針對這一痛點，中國科學院微電子研究所陳釧團隊提出了新方案：在玻璃基板TGV的玻璃與銅之間，燒結一層無機緩沖層。為了適配化學鍍工藝，團隊選擇了ZnO、TiO₂、ZrO₂三種無機材料，通過有限元仿真分析，研究它們對TGV應力的緩解效果，還探索了緩沖層厚度、玻璃芯板厚度等參數(shù)的影響。

仿真結果令人驚喜，首先，這三種無機緩沖層都能有效降低應力，且效果比傳統(tǒng)PI更好。在疊層工藝的升溫過程中（溫度從25℃升至190℃），純銅填充的TGV玻璃芯板最大應力達202.36MPa，TiO2緩沖層的應力緩沖效果最好，其最大主應力相較于純銅降低了49.3%，同時無機緩沖層的應力緩沖效果明顯好于常規(guī)的PI緩沖層。

添加不同緩沖層的應力效果對比 來源：《降低玻璃基板TGV應力的無機緩沖層方法與仿真分析》（趙泉露等）

研究還發(fā)現(xiàn)，緩沖層的厚度對應力影響顯著。隨著緩沖層厚度從1μm增加到5μm，升溫過程中玻璃芯板的應力持續(xù)減小，而降溫過程中的應力會略有增大，但始終在安全范圍內。更重要的是，無機緩沖層通過增厚來緩解應力的能力比PI強得多，工藝適配性更靈活。不過要注意，緩沖層厚度并非越厚越好，厚度增加到一定程度后，應力降幅會逐漸變小，呈現(xiàn)“收益遞減”的特點。

TiO2與PI緩沖層玻璃芯板最大主應力對比 來源：《降低玻璃基板TGV應力的無機緩沖層方法與仿真分析》（趙泉露等）

有趣的是，玻璃芯板的厚度對TGV應力影響不大。芯板厚度從400μm增加到1200μm，升溫、降溫過程中的應力變化都很微小。這是因為芯板厚度增加時，緩沖層和銅柱的高度也同步增加，它們在通孔內的占比不變，所以應力不會明顯波動，這為后續(xù)玻璃基板尺寸設計提供了更多自由度。

隨著先進封裝技術向更高集成度、更小尺寸發(fā)展，玻璃基板的應用前景將越來越廣闊。而無機緩沖層技術的研究，為玻璃基板在高性能芯片封裝中的大規(guī)模應用提供了可能，也為半導體行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新注入了新動力。

參考來源:

趙瑾.玻璃通孔三維互連技術中的應力問題

趙泉露.降低玻璃基板TGV應力的無機緩沖層方法與仿真分析

張名愛.應用于三維集成封裝的玻璃轉接板的制備和測試

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/月明)

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