Fraunhofer IZM的玻璃基板技术

德国

Fraunhofer IZM研究所全名叫做可靠性和微结构研究所，他们在先进封装技术以及多功能电子系统集成领域表现出色。他们的技术愿景可以用底下这张图来呈现。在玻璃芯基板领域，Fraunhofer IZM也是老玩家了。

接下来进入报告的正题。玻璃芯基板的形态是上下对称的，因此可以在有RDL等情况时保持结构对称，避免基板翘曲等问题。玻璃基板封装瞄准规模较大的芯片应用，并非小尺寸部件，一侧可面向集成电路（IC），另一侧面向PCB或主板，甚至可替代PCB发挥作用。目前玻璃芯基板瞄准的产品包括射频基板、带有光互连的中介层、光微机电系统（photonic MEMS）、高性能计算（HPC）用的中介层以及腔内嵌入式器件等，重点聚焦于2.5D、3D高性能计算用中介层，该技术有望解决嵌入式桥接等方面的难题，是很有前景的研发领域。

◆玻璃基板的特性

1. 优势

- 电学特性优良：适用于直流和高频应用，可直接在表面制作电波导。

- 光学性能好：光学透明度高，波长范围宽。

- 生物兼容性佳：利于用于传感相关应用。

- 能制作高密小型TGV。

- 稳定性高：相较于有机基板，尤其稳定性对高密度RDL十分重要。

- 成本低：和有机基板比常被认为是劣势，但相比于硅等有相似光学特性的基板则很便宜，且有望随着市场扩大变得更便宜。

- 耐化学腐蚀性好：对产品自身以及整个制造流程链都很关键。

- 密封性好：可用于制造微真空腔室等，利于在玻璃上进行激光焊接及后续构建其他结构。

2. 挑战

玻璃易碎，且玻璃边缘质量对整体坚固性影响很大，所以在改进材料本身脆性的同时，在进行玻璃切割等工艺上也要注重保证边缘质量。

目前使用二氧化碳激光或未来会用刀片切割玻璃可以提升边缘质量及光学性能以连接光纤，同时也可进行化学强化处理（离子交换等方式）增加玻璃边缘的坚固性，但这仍不能完全解决易碎问题，尤其对于含大量玻璃通孔TGV的玻璃芯基板，TGV的数量和质量也会影响整体坚固性。

TGV结构加工：利用3D飞秒激光刻蚀系统(SLE)，采用聚焦激光对玻璃进行改性，改性区域在刻蚀液中的刻蚀速率更高，进而可加工出TGV结构，这是一种3D工艺，能制作不同形状玻璃用于后续填充等，可加工厚度达5毫米的玻璃，但该工艺目前速度较慢（每秒加工一个孔），且暂不适用于面板级别加工，不过正在努力改进以实现规模扩大。

◆ 光波导制造方法

在Fraunhofer IZM有两种集成光波导的方法，一是飞秒激光直写，它是灵活的3D直接写入工艺，可在不同层写入光波导；二是离子交换法，基于光刻技术，是多批次工艺，更稳健，后续重点介绍了离子交换法。

离子交换法原理及效果：类似智能手机显示屏化学强化原理，在熔融盐浴中用钾离子等与钠离子进行离子交换对玻璃施加应力，若用银离子替代钾离子还可增加玻璃表面折射率，通过金属掩模控制离子交换位置来局部增加折射率，再经过反向离子交换等操作可制造出掩埋式光波导，这种波导性能优良，可制作单模、多模波导(多模波导可以实现弯曲半径减小)，在通信波长下传播损耗低至0.06dB/cm，对可见光透明，尺寸可做到一定规格且正在扩大尺寸规模，其模场可与光纤适配以降低损耗，便于集成到标准电路板中。

◆ 玻璃芯基板金属化及相关技术发展历程

早期采用研磨、机械或激光研磨等较为粗放的工艺制作TGV，得到的TGV尺寸大、壁面不规整呈V形，之后实现了在玻璃上直接镀铜，但填充效果不佳，只是利用介质材料填充孔洞来满足RDL的需求。

中期出现了封闭TGV一侧的做法，降低了TGV直径，同时各类激光刻蚀工艺兴起，利用激光改性玻璃然后刻蚀来制造更好的TGV是一项重大突破，后来还实现了从两侧封闭TGV（用旋涂光刻胶等工艺），使其更适配RDL制作流程，也逐渐朝着大面板加工发展。

后期研究者发现铜和玻璃热膨胀系数（CTE）、弹性模量等差异大，在一定尺寸和铜含量情况下，若无缓冲层容易出现破裂等问题，因此在铜和玻璃之间设置缓冲层，进一步缩小TGV尺寸后可再次实现可靠的玻璃上镀铜填充等工艺。

从时间线来看早期的TGV如佐治亚理工学院在2010年的相关成果，Fraunhofer IZM也有研究人员在进行一侧封闭TGV的研究并取得一定的深宽比成果（如1:10等），后续合作方可以做到更高深宽比（1:15、1:20及以上），不过目前还需要解决用铜填充实现上下连通的问题，这是未来重点攻克方向。

◆ 玻璃芯基板的可靠性及面临的问题

1. 可靠性：

铜和玻璃直接结合存在问题，比如铜在电镀后进行退火处理时速度不能太快（2020年相关研究显示），还有热冲击循环（2024年相关研究）情况中，铜会出现蠕变、塑性变形等情况，若两者之间没有中间缓冲层等进行过渡衔接，铜可能会使玻璃产生剪切破坏，进而出现裂纹等缺陷。

2. 其他待解决问题：

有研究表明不同填充方式（如全填充、保形填充、单侧填充等）在射频阻抗、输入输出匹配以及高温循环测试（TCT）等方面表现不错，但目前这些成果需要应用到更多再分布层（RDL）以及实际产品中。玻璃芯基板整体是一项有潜力但尚未完全成熟的技术，在散热性能、基板处理（因其易碎）、成本控制、封装最终可靠性等方面还存在诸多疑问有待解决。

◆ IZM玻璃面板技术小组及目标

为推动玻璃芯基板技术发展，IZM正在组建玻璃面板技术小组，会联合众多合作公司贯穿整个玻璃芯基板工艺流程链，将相关技术应用到集成面板再分布层（RDL）生产线，可实现大面板尺寸加工(510×515mm)、进行设计可靠性分析，并与成员透明合作，成员涵盖材料、工艺、过程控制以及客户等各方面角色。

小组有三个主要目标：

1. 总体路线把控：讨论技术路线图、制定规范，构建公司网络并开展标准化工作。

2. 基板构建模块探索：研究如何制造面板、最佳的TGV工艺方法、金属化以及再分布层（RDL）制作等环节以及如何在整个流程中进行控制。

3. 可靠性数据收集：与先进有机芯基板并行开展工作，对比相同情况下玻璃芯基板的表现，在未来几年通过更复杂的设计来明确技术壁垒所在以及玻璃基板可取代有机基板的应用场景。