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玻璃片(TGV):技术、性能与应用
玻璃片(TGV,Through Glass Via),作为一种在现代电子领域极具创新性的材料,正逐渐崭露头角并发挥着关键作用。TGV 玻璃片通过在玻璃基板上制作垂直互连通道(通孔),实现了芯片与芯片、芯片与封装之间高效的电气连接,为电子设备的小型化、高性能化提供了有力支持。

TGV 玻璃片的技术原理
通孔形成技术

  1. 激光打孔:这是一种常用的在玻璃片上形成通孔的方法。利用高能量密度的激光束聚焦在玻璃表面,瞬间使玻璃材料蒸发或气化,从而形成孔洞。例如,飞秒激光打孔技术能够精确控制打孔的位置和尺寸,其脉冲宽度极短(在飞秒量级,1 飞秒 = 10⁻¹⁵秒),对周围玻璃材料的热影响极小,可实现高精度、小尺寸的通孔加工,孔径通常能达到几微米到几十微米。
  1. 湿法刻蚀:基于玻璃材料在特定化学溶液中的腐蚀特性来制作通孔。首先在玻璃片表面涂覆一层光刻胶,通过光刻工艺将设计好的通孔图案转移到光刻胶上,然后将玻璃片浸入刻蚀溶液中,未被光刻胶保护的玻璃部分会被逐渐腐蚀掉,形成通孔。这种方法适合制作较大尺寸且对精度要求相对不那么苛刻的通孔,其刻蚀速率和刻蚀选择性可通过调整化学溶液的成分和工艺参数来控制。
  1. 干法刻蚀:采用等离子体技术对玻璃进行刻蚀。在真空环境下,通过射频电源激发反应气体(如 CF₄、SF₆等)产生等离子体,等离子体中的活性粒子与玻璃表面的原子发生化学反应,生成挥发性产物并被抽离,从而实现玻璃的刻蚀。干法刻蚀具有较高的刻蚀精度和各向异性,能够制作出高深宽比(通孔深度与孔径之比)的通孔,在高端 TGV 玻璃片制造中应用广泛。

金属化填充技术
  1. 物理气相沉积(PVD):在真空环境下,通过蒸发、溅射等方式将金属(如铜、铝等)原子沉积到玻璃通孔内。以溅射为例,在真空腔室内设置金属靶材,利用离子束轰击靶材表面,使金属原子从靶材上溅射出来,并沉积在玻璃通孔的内壁上。PVD 技术能够在通孔内形成均匀、致密的金属薄膜,但其沉积速率相对较低,对于深孔填充可能存在一定困难。
  1. 化学镀:这是一种利用化学反应在玻璃通孔内沉积金属的方法。首先对玻璃通孔表面进行预处理,使其具有催化活性,然后将玻璃片浸入含有金属盐和还原剂的镀液中,在催化表面上,金属离子被还原剂还原并沉积形成金属镀层。化学镀能够实现良好的深孔填充,且镀层厚度均匀,但需要严格控制镀液的成分和工艺条件,以确保镀层质量。
  1. 电镀:在化学镀的基础上,通过外加电流进一步加速金属离子在玻璃通孔内的沉积。将经过化学镀预处理的玻璃片作为阴极,金属板作为阳极,放入电镀液中。在电场作用下,金属离子从阳极溶解并在阴极(玻璃通孔表面)沉积,从而实现通孔的金属化填充。电镀具有较高的沉积速率和良好的填充效果,能够满足大规模生产的需求。

TGV 玻璃片的性能特点
电气性能

  1. 低电阻:TGV 玻璃片中的金属化通孔具有良好的导电性,能够有效降低信号传输过程中的电阻损耗。例如,采用铜作为填充金属时,其电阻率较低,可使信号在互连通道中快速传输,减少信号延迟,提高电子设备的运行速度。对于高速数字信号传输,低电阻的 TGV 玻璃片能够保证信号的完整性,避免信号失真。
  1. 低电容和电感:玻璃材料本身具有较低的介电常数,与传统的有机封装材料相比,TGV 玻璃片在信号传输过程中产生的电容和电感较小。这使得信号在传输过程中能够保持较好的波形,减少信号的串扰和反射,提高信号的传输质量。在高频电路应用中,如 5G 通信基站的射频模块,TGV 玻璃片的低电容和电感特性能够满足其对高速、高频信号传输的严格要求。
机械性能
  1. 高机械强度:玻璃片本身具有一定的机械强度,经过特殊处理和加工后的 TGV 玻璃片在保持玻璃原有强度的基础上,由于金属化通孔的增强作用,其整体机械性能得到进一步提升。例如,在电子设备的封装中,TGV 玻璃片能够承受一定的外力作用,如芯片安装过程中的压力、振动等,保证电子器件的可靠性和稳定性。
  1. 良好的热稳定性:玻璃材料具有较高的软化温度和较低的热膨胀系数,TGV 玻璃片在不同温度环境下能够保持稳定的物理和化学性能。在电子设备运行过程中,会产生大量热量,TGV 玻璃片能够在高温环境下正常工作,不会因温度变化而导致通孔变形、金属镀层脱落等问题,确保了电子设备的长期可靠性。
化学性能
  1. 耐腐蚀性:TGV 玻璃片表面的金属化镀层经过特殊处理,具有良好的耐腐蚀性。在潮湿、酸碱等恶劣环境中,金属化通孔不易被腐蚀,从而保证了电气连接的可靠性。例如,在一些户外电子设备或化工生产环境中的电子控制系统中,TGV 玻璃片能够抵抗环境中的化学物质侵蚀,维持设备的正常运行。
  1. 化学稳定性:玻璃材料本身化学性质稳定,与大多数化学物质不发生反应。TGV 玻璃片在各种化学环境下能够保持其结构和性能的稳定性,不会因化学反应而影响其电气性能和机械性能,为电子设备在复杂化学环境中的应用提供了保障。

TGV 玻璃片的制作工艺
玻璃基板选择

  1. 材料特性要求:制作 TGV 玻璃片的基板玻璃需要具备一系列特定的性能。首先,玻璃的纯度要高,杂质含量低,以保证良好的电气绝缘性能和化学稳定性。其次,玻璃的热膨胀系数应与金属化填充材料相匹配,避免在温度变化过程中因热应力导致通孔与玻璃基板之间产生裂纹或分离。例如,对于铜金属化填充,通常选择热膨胀系数与铜相近的玻璃材料。此外,玻璃还应具有良好的光学性能和机械加工性能,便于后续的光刻、刻蚀等工艺操作。
  1. 常用玻璃材料:目前,常用的 TGV 玻璃基板材料有硼硅酸盐玻璃、石英玻璃等。硼硅酸盐玻璃具有较好的热稳定性、化学稳定性和机械性能,且成本相对较低,在中低端 TGV 玻璃片制造中应用广泛。石英玻璃则具有更高的纯度、更低的热膨胀系数和优异的光学性能,适用于高端、对性能要求极为苛刻的 TGV 玻璃片制造,如在半导体芯片封装和高性能光学传感器中的应用。
光刻工艺
  1. 光刻原理与流程:光刻是将设计好的通孔图案转移到玻璃基板表面的关键工艺。首先在玻璃基板表面均匀涂覆一层光刻胶,然后将带有通孔图案的光刻掩模版放置在光刻胶上方,通过紫外线曝光使光刻胶发生光化学反应。曝光后的光刻胶在显影液中溶解,从而在玻璃基板表面形成与光刻掩模版图案一致的光刻胶图形。光刻工艺的精度直接影响 TGV 玻璃片中通孔的尺寸和位置精度,对于制作高精度、高密度的通孔至关重要。
  1. 光刻技术发展:随着 TGV 玻璃片应用需求的不断提高,光刻技术也在持续发展。目前,深紫外光刻(DUV)技术在 TGV 玻璃片制造中应用较为广泛,其能够实现亚微米级的光刻精度。而极紫外光刻(EUV)技术作为下一代光刻技术,具有更高的分辨率,可实现更小尺寸通孔的制作,有望在未来高端 TGV 玻璃片制造中发挥重要作用。

刻蚀与金属化工艺集成
  1. 刻蚀与金属化顺序:在 TGV 玻璃片制作过程中,刻蚀和金属化工艺的顺序和协同至关重要。一般先进行玻璃通孔的刻蚀,形成所需的孔洞结构,然后再进行金属化填充。在刻蚀过程中,要精确控制刻蚀深度和孔径,确保与后续金属化工艺相匹配。金属化填充后,还需要对金属表面进行平整化处理,如化学机械抛光(CMP),以保证 TGV 玻璃片表面的平整度和电气连接的可靠性。
  1. 工艺优化与质量控制:为了提高 TGV 玻璃片的制作质量和生产效率,需要对刻蚀和金属化工艺进行不断优化。通过调整刻蚀气体流量、射频功率、温度等工艺参数,控制刻蚀速率和刻蚀选择性;在金属化过程中,优化沉积参数、镀液成分等,确保金属镀层的质量和填充效果。同时,采用先进的检测技术,如扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等,对 TGV 玻璃片的微观结构和性能进行检测,及时发现和解决工艺过程中的问题,保证产品质量。

TGV 玻璃片的应用领域
半导体与芯片封装

  1. 芯片级封装(CSP):在芯片级封装中,TGV 玻璃片作为中介层,通过其内部的金属化通孔实现芯片与封装基板之间的高效电气连接。TGV 玻璃片能够显著缩短信号传输路径,降低信号延迟和功耗,提高芯片的性能。例如,在智能手机的处理器芯片封装中,采用 TGV 玻璃片技术可以实现更紧凑的封装结构,提高芯片的集成度和运行速度。
  1. 系统级封装(SiP):对于系统级封装,TGV 玻璃片可将多个不同功能的芯片(如处理器芯片、存储芯片、射频芯片等)集成在一个封装体内,实现系统的小型化和高性能化。TGV 玻璃片的低电阻、低电容和电感特性,能够有效减少芯片之间的信号干扰,提高系统的整体性能。在可穿戴设备、物联网终端等小型化、高性能电子设备的封装中,TGV 玻璃片具有广阔的应用前景。

5G 通信与射频领域
  1. 5G 基站射频模块:在 5G 通信基站的射频模块中,TGV 玻璃片用于制作射频电路的互连基板。其低电阻、低损耗的特性能够满足 5G 通信对高速、高频信号传输的要求,有效提高信号传输效率,降低信号衰减和干扰。TGV 玻璃片还可以实现射频模块的小型化和集成化,减少基站设备的体积和重量,降低成本。
  1. 射频前端模组:在手机、平板电脑等移动终端的射频前端模组中,TGV 玻璃片可作为天线与芯片之间的连接介质。通过 TGV 玻璃片的高效互连,能够提升射频前端模组的性能,增强移动终端的通信能力,如提高信号接收灵敏度、增加信号发射功率等,为用户提供更好的通信体验。

传感器与微机电系统(MEMS)
  1. 传感器封装:在各种传感器(如压力传感器、加速度传感器、陀螺仪等)的封装中,TGV 玻璃片可实现传感器芯片与外部电路之间的电气连接和信号传输。TGV 玻璃片的良好机械性能和化学稳定性,能够保护传感器芯片免受外界环境的影响,提高传感器的可靠性和使用寿命。例如,在汽车的电子稳定控制系统(ESC)中,压力传感器采用 TGV 玻璃片封装,能够准确感知轮胎压力变化,保障行车安全。
  1. MEMS 器件集成:对于微机电系统(MEMS)器件,TGV 玻璃片可作为集成平台,将 MEMS 芯片与其他电子元件集成在一起。TGV 玻璃片的高精度通孔制作技术,能够实现 MEMS 器件与外部电路之间的精确互连,促进 MEMS 技术在微纳制造、生物医学、航空航天等领域的广泛应用。例如,在生物医学领域的微流控芯片中,TGV 玻璃片可用于集成微泵、微阀等 MEMS 器件和传感器,实现对生物样品的精确操控和检测。


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