中國(guó)粉體網(wǎng)訊 當(dāng)我們用手機(jī)刷短視頻、用電腦辦公時(shí)，很少有人會(huì)想到，這些流暢體驗(yàn)的背后，離不開芯片內(nèi)部千萬(wàn)個(gè)細(xì)微的金屬連接。隨著5G、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片需要更強(qiáng)大的性能，傳統(tǒng)的硅基材料漸漸跟不上需求，而玻璃正成為新一代芯片封裝材料的“潛力股”。
從硅到玻璃：芯片封裝的材料革命
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，芯片產(chǎn)業(yè)一直遵循著“摩爾定律”，每隔一段時(shí)間，芯片上的晶體管數(shù)量就會(huì)翻倍，性能也隨之提升。但如今，硅材料的瓶頸越來(lái)越明顯，它在高頻信號(hào)傳輸時(shí)損耗大，影響著芯片性能的發(fā)揮。
這時(shí)，玻璃走進(jìn)了科學(xué)家的視野，其擁有眾多優(yōu)秀屬性，介電常數(shù)低，能讓高頻信號(hào)暢通無(wú)阻；熱膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)，能適應(yīng)芯片工作時(shí)的溫度變化；還具有出色的耐化學(xué)性。這些優(yōu)點(diǎn)讓玻璃成為硅的理想替代品，尤其在玻璃通孔（TGV）技術(shù)中大放異彩。
TGV技術(shù)就像是在玻璃上打通無(wú)數(shù)細(xì)小的“隧道”，再用金屬填充，實(shí)現(xiàn)芯片層與層之間的垂直連接。這種連接方式能大大提高芯片的集成度，但同樣也存在問(wèn)題，玻璃是絕緣體，如何讓金屬牢牢“粘”在玻璃通孔里，成為科研工作者面臨的一大挑戰(zhàn)。
化學(xué)鍍：給玻璃穿上“金屬外衣”
給玻璃通孔鍍上金屬，傳統(tǒng)方法主要有物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）。這些方法需要在高溫、低壓的特殊環(huán)境下進(jìn)行，不僅成本高，而且在高深寬比的通孔里，還容易出現(xiàn)“涂層不均”的問(wèn)題，孔口的金屬層厚，孔底卻可能沒(méi)覆蓋到，很難做到均勻。
化學(xué)鍍作為全濕法工藝，通過(guò)化學(xué)方法在絕緣基材表面生成薄金屬層，通常用于印制線路板（PCB）盲孔/通孔的金屬化工藝，與PVD、CVD等工藝不同，化學(xué)鍍無(wú)須采用高溫低壓環(huán)境，并且具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
不過(guò)，玻璃表面太光滑了，就像在冰面上貼膠帶，金屬層很容易脫落。這成了化學(xué)鍍?cè)赥GV技術(shù)中應(yīng)用的最大障礙。
讓金屬層“粘”得更牢
為了解決金屬層與玻璃的黏附問(wèn)題，科研工作者們想出了不少巧妙的方法，大致可以分為四類。
金屬氧化物基化學(xué)鍍層：在玻璃和金屬層之間加一層金屬氧化物，就像涂了一層特殊膠水。這些氧化物（如氧化鋅、二氧化鈦）能和玻璃形成牢固的化學(xué)鍵，還能讓金屬原子擴(kuò)散進(jìn)來(lái)，形成“互鎖結(jié)構(gòu)”。比如在玻璃表面涂一層鋁摻雜的氧化鋅（AZO），高溫處理后，氧化鋅會(huì)和玻璃反應(yīng)生成復(fù)合氧化物，銅原子還能擴(kuò)散進(jìn)去，讓金屬層像樹根一樣牢牢扎在玻璃上，經(jīng)過(guò)測(cè)試，這種方法能讓金屬層通過(guò)嚴(yán)格的膠帶測(cè)試，結(jié)合力非常可靠。
玻璃基板上AZO浸涂工藝 來(lái)源：Cheng. Direct copper pattern plating on glass and ceramic substrates using an Al-doped ZnO as an adhesive and conducting layer
自組裝單分子膜基化學(xué)鍍層：自組裝單分子膜（SAM）是通過(guò)分子在固體表面自發(fā)組裝形成的高度有序、厚度僅為單個(gè)分子尺寸的有機(jī)單層，一般使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性，它的一端能和玻璃表面的羥基結(jié)合，另一端的氨基或巰基則能與鈀、銀等催化劑形成化學(xué)鍵。這樣一來(lái)，催化劑就被牢牢固定在玻璃上，后續(xù)沉積的金屬層自然也就更穩(wěn)固了。
表面粗化：把光滑的玻璃表面變得粗糙一些，就像把墻面打磨出紋路，讓金屬層能“嵌”進(jìn)去�？茖W(xué)家們用氫氟酸蝕刻、超聲波處理或等離子體轟擊等方法，在玻璃表面制造出微小的凹凸結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能和金屬層形成機(jī)械互鎖，就像無(wú)數(shù)個(gè)小鉤子把兩者連在一起。不過(guò)這種方法也有缺點(diǎn)，粗糙的表面可能會(huì)影響玻璃的透光性和高頻性能，不太適合對(duì)光學(xué)性能要求高的場(chǎng)景。
不同超聲條件對(duì)玻璃基板進(jìn)行輔助粗化 來(lái)源：BAJPAI.Ultrasonic assisted surface roughening of glass substrate to improve adhesion of electroless nickel seed layer in microsystems packaging
其他創(chuàng)新方法：除了上述三種主流方法，科學(xué)家們還在不斷探索新方案，比如在銀層和玻璃之間加一層超薄的氧化硅夾層，能顯著提高黏附性，同時(shí)不影響銀的導(dǎo)電性和光學(xué)性能；還有通過(guò)優(yōu)化玻璃的清洗方法，讓表面更干凈、更親水，從而增強(qiáng)金屬層的結(jié)合力。
展望
玻璃通孔化學(xué)鍍金屬化技術(shù)，正成為芯片封裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)還有不少挑戰(zhàn)需要攻克，比如如何進(jìn)一步提高金屬層的均勻性和可靠性，如何降低生產(chǎn)成本，如何適應(yīng)更復(fù)雜的三維集成需求等，但隨著研究的深入，相信這些問(wèn)題會(huì)逐步得到解決。
參考來(lái)源:
孫鵬.玻璃通孔化學(xué)鍍金屬化研究進(jìn)展.
BAJPAI.Ultrasonic assisted surface roughening of glass substrate to improve adhesion of electroless nickel seed layer in microsystems packaging.
Cheng. Direct copper pattern plating on glass and ceramic substrates using an Al-doped ZnO as an adhesive and conducting layer.
Mugica-vidal. Atmospheric pressure air plasma treatment of glass substrates for improved silver/glass adhesion in solar mirrors.
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/月明)
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