中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在高性能計(jì)算、人工智能快速發(fā)展的當(dāng)下，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)芯片集成規(guī)模和封裝基板性能的要求越來(lái)越高。過去常用的有機(jī)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(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和平整度，成為下一代先進(jìn)封裝的“潛力選手”。不過，玻璃基板上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——玻璃通孔（TGV），卻一直被應(yīng)力問題困擾。
TGV是實(shí)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(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。這種應(yīng)力可能導(dǎo)致玻璃開裂、銅與玻璃分層，嚴(yán)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(yīng)力，但PI在高溫?zé)Y(jié)時(shí)容易降解，無(wú)法適配后續(xù)的化學(xué)鍍金屬化工序，應(yīng)用受限。
針對(duì)這一痛點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所陳釧團(tuán)隊(duì)提出了新方案：在玻璃基板TGV的玻璃與銅之間，燒結(jié)一層無(wú)機(jī)緩沖層。為了適配化學(xué)鍍工藝，團(tuán)隊(duì)選擇了ZnO、TiO₂、ZrO₂三種無(wú)機(jī)材料，通過有限元仿真分析，研究它們對(duì)TGV應(yīng)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(jié)果令人驚喜，首先，這三種無(wú)機(jī)緩沖層都能有效降低應(yīng)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(yīng)力達(dá)202.36MPa，TiO2緩沖層的應(yīng)力緩沖效果最好，其最大主應(yīng)力相較于純銅降低了49.3%，同時(shí)無(wú)機(jī)緩沖層的應(yīng)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(yīng)力效果對(duì)比 來(lái)源：《降低玻璃基板TGV應(yīng)力的無(wú)機(jī)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(duì)應(yīng)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(yīng)力持續(xù)減小，而降溫過程中的應(yīng)力會(huì)略有增大，但始終在安全范圍內(nèi)。更重要的是，無(wú)機(jī)緩沖層通過增厚來(lái)緩解應(yīng)力的能力比PI強(qiáng)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(yīng)力降幅會(huì)逐漸變小，呈現(xiàn)“收益遞減”的特點(diǎn)。
TiO2與PI緩沖層玻璃芯板最大主應(yīng)力對(duì)比 來(lái)源：《降低玻璃基板TGV應(yīng)力的無(wú)機(jī)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(duì)TGV應(yīng)力影響不大。芯板厚度從400μm增加到1200μm，升溫、降溫過程中的應(yīng)力變化都很微小。這是因?yàn)樾景搴穸仍黾訒r(shí)，緩沖層和銅柱的高度也同步增加，它們?cè)谕ǹ變?nèi)的占比不變，所以應(yīng)力不會(huì)明顯波動(dòng)，這為后續(xù)玻璃基板尺寸設(shè)計(jì)提供了更多自由度。
隨著先進(jìn)封裝技術(shù)向更高集成度、更小尺寸發(fā)展，玻璃基板的應(yīng)用前景將越來(lái)越廣闊。而無(wú)機(jī)緩沖層技術(shù)的研究，為玻璃基板在高性能芯片封裝中的大規(guī)模應(yīng)用提供了可能，也為半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新注入了新動(dòng)力。
參考來(lái)源:
趙瑾.玻璃通孔三維互連技術(shù)中的應(yīng)力問題
趙泉露.降低玻璃基板TGV應(yīng)力的無(wú)機(jī)緩沖層方法與仿真分析
張名愛.應(yīng)用于三維集成封裝的玻璃轉(zhuǎn)接板的制備和測(cè)試
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/月明)
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