01

技術(shù)背景：傳統(tǒng)方案遇瓶頸，TGV 技術(shù)破局而出

圖1 TSV用于半導體芯片垂直互聯(lián)

相較于成熟的硅通孔蝕刻技術(shù)，玻璃深孔刻蝕長期缺乏高效方案，難以實現(xiàn)高質(zhì)量、高深徑比通孔/溝槽的制備。目前常見的光敏玻璃法、干法刻蝕、激光燒蝕法均存在一定的局限，比如激光燒蝕法制備會導致側(cè)壁粗糙、崩邊，給后續(xù)工藝埋下可靠性隱患。TGV激光誘導孔蝕刻技術(shù)的出現(xiàn)，恰好解決了這個關(guān)鍵難題。通過超短脈沖激光（皮秒或飛秒）誘導玻璃產(chǎn)生連續(xù)改性區(qū)域，與未改性區(qū)域的玻璃相比，改性區(qū)域玻璃在蝕刻液中的刻蝕速率更快。該過程不會在玻璃中產(chǎn)生裂紋，并且允許在玻璃中加工出盲孔和通孔，從而成為目前更具應用優(yōu)勢的制備方案。

02

技術(shù)原理：“激光改性 + 化學蝕刻”雙步實現(xiàn)精密成型

圖3 激光誘導蝕刻過程示意圖

激光改性環(huán)節(jié)采用的是國神光電超快飛秒激光器，該激光器脈寬＜600fs，加工過程為冷加工，具備超高加工精度，還廣泛應用于藍寶石切割、玻璃二維碼打標、不銹鋼精密打孔/切割、發(fā)動機冷卻管微孔加工等領(lǐng)域，其核心技術(shù)參數(shù)如下表所示。

圖4 超快飛秒激光器外觀示意圖

表1 超快飛秒激光器技術(shù)參數(shù)表 

1. 激光誘導改性：給玻璃 “做標記”

飛秒超快激光聚焦到玻璃內(nèi)部，發(fā)生多光子電離過程，激發(fā)電子與其他電離粒子組成等離子體，形成的等離子體與激光共振吸收并傳遞能量，在皮秒時間尺度內(nèi)將動能和沉積的能量通過弛豫過程轉(zhuǎn)移到玻璃結(jié)構(gòu)，導致局部玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。對于玻璃來說，激光在短時間內(nèi)將高能量局部傳送到玻璃表面，產(chǎn)生熱機械效應，改變玻璃表面的膨脹和密度，形成對化學蝕刻敏感的區(qū)域，如圖5所示。

圖5 超短脈沖激光誘導玻璃產(chǎn)生的部分性質(zhì)改變（轉(zhuǎn)自文獻）（a）折射率改變；（b）熱導率改變

超短脈沖激光作用導致玻璃結(jié)構(gòu)中的二氧化硅硅氧鍵平均鍵角減小并生成納米衍射光柵結(jié)構(gòu)，如圖6所示。激光改性后的區(qū)域?qū)罄m(xù)化學蝕刻具有選擇性，形成高深徑比玻璃通孔。

圖6 納米衍射光柵的形成（轉(zhuǎn)自文獻）

2. 化學蝕刻：精準 “雕刻” 成型

超短脈沖激光作用后，玻璃基板中應力增加產(chǎn)生拉伸斷裂，這些拉伸斷裂表現(xiàn)為微米尺寸的徑向分布的微裂紋。在相同化學蝕刻條件下，制備的通孔直徑受微裂紋和玻璃表面激光改性區(qū)的尺寸影響很大。

圖7展示了激光作用后改質(zhì)區(qū)具有微裂縫的玻璃基板蝕刻過程。蝕刻劑對激光作用后的石英玻璃基板的刻蝕主要包括三個部分：（i）對激光改性區(qū)的蝕刻，（ii）對微裂縫的蝕刻，以及（iii）對未受到激光影響區(qū)域的蝕刻?；瘜W蝕刻時中心孔優(yōu)先沿微裂紋方向生長，呈現(xiàn)出“蜘蛛”狀紋路，隨著蝕刻時間延長，孔徑變大，孔型逐漸修整成圓形，最終形成規(guī)整孔道。在蝕刻溶液與蝕刻時間相同的情況下，較小的微裂縫有利于得到更小尺寸和更好形狀的蝕刻孔。

圖7 改質(zhì)區(qū)具有微裂紋的改性蝕刻過程變化

03

技術(shù)優(yōu)勢：多維度突破，適配高端封裝需求

通過TGV激光誘導孔蝕刻技術(shù)，可制備得到不同厚度、不同材質(zhì)玻璃基板的通孔，證實了TGV技術(shù)的兼容能力。調(diào)節(jié)蝕刻溫度和時間，還能精準控制孔徑大小和垂直度——比如 40℃下蝕刻20分鐘，就能獲得垂直度接近90°的高質(zhì)量通孔，制備得到的圓孔孔徑~20μm，深徑比>10：1，通孔內(nèi)壁粗糙度小于60nm。

圖8 制備的通孔平面及剖面效果

在此基礎(chǔ)上，該技術(shù)還可拓展至異形孔、盲孔（槽）及微流道等復雜結(jié)構(gòu)的加工，制備得到的方形通孔孔徑最小可達50μm，孔周圍無殘渣，邊緣無裂紋、崩邊。

圖9 制備的方形孔平面及剖面效果

在光電顯示、生物醫(yī)療、光通信、消費電子等領(lǐng)域，常需用到玻璃盲孔（未穿透玻璃厚度的孔）和盲槽（未穿透玻璃厚度的凹槽）結(jié)構(gòu)，結(jié)合TGV精密加工技術(shù)（激光直接加工+化學蝕刻）可實現(xiàn)深度、尺寸可控的高精度結(jié)構(gòu)。

圖10 不同類型盲孔（槽）的制備效果

相較于傳統(tǒng)制備方法，TGV激光誘導孔蝕刻技術(shù)的優(yōu)勢十分突出：（i）蝕刻選擇性高，改性區(qū)與未改性區(qū)蝕刻速率差異大，成型更精準；（ii）孔道質(zhì)量優(yōu)異，無裂紋、側(cè)壁平整，避免崩邊等缺陷，提升后續(xù)互聯(lián)可靠性；（iii）加工靈活性強，可加工通孔、盲孔，還能實現(xiàn)方形、六邊形等異形孔結(jié)構(gòu)；（ⅳ）高深徑比適配，先進技術(shù)可支撐高深徑比結(jié)構(gòu)制備，滿足高密度封裝需求。

這些優(yōu)勢讓它在半導體先進封裝、高端電子器件等領(lǐng)域具備極強的實用價值，成為推動玻璃轉(zhuǎn)接板產(chǎn)業(yè)化的核心動力。

04

應用前景：賦能多領(lǐng)域，開啟封裝技術(shù)新征程

隨著技術(shù)不斷成熟，TGV 激光誘導孔蝕刻技術(shù)正在賦能多個前沿領(lǐng)域：（i）半導體先進封裝，用于2.5D集成轉(zhuǎn)接板，實現(xiàn)芯片與基板的高效互聯(lián)；（ii）高頻電子器件，適配 5G、高性能計算需求，降低信號傳輸損耗；（iii）光電集成模塊：結(jié)合玻璃透光性，實現(xiàn)光電器件的高密度封裝；（ⅳ）汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：滿足小型化、高可靠性的封裝要求。