从 TGV 到金属化，关键技术发表时间：2026-02-23 14:31 一、核心制程深度拆解：从通孔到金属化的精密协作（一）TGV 制备：高深宽比通孔的多元技术路径玻璃通孔（TGV）是实现玻璃基板垂直互连的核心结构，其成孔质量直接影响后续金属填充效果与电信号传输效率。目前主流成孔工艺各有侧重，需根据基板规格与量产需求精准选择：
图1、不同玻璃通孔制备方法对比 （一）不同玻璃通孔制备方法介绍 1. 喷砂法：加工精度较低，应用场景较少 加工步骤：喷砂法要求在加工前先在玻璃基板上制作一层复合掩模，然后以制备的 复合掩模为基础，采用干粉喷砂工艺对玻璃晶片进行蚀刻。考虑到蚀刻效率和宽高 比，可在玻璃晶片的一侧先蚀刻一次，随后在玻璃晶片的另一侧也采用同样的工艺 步骤进行蚀刻，两次喷砂蚀刻过程中必须保证中心点完全对称以形成完整的通孔。 工艺特点：由于喷砂法制作的通孔非常粗糙，孔孔径较大且一致性较差，所以该方 法只能制作孔径较大(>200 μm)、间距较大的玻璃通孔，而逐渐退出三维集成封装的 应用范畴；同时，该工艺中使用的沙粒直径一般为20~50μm，如此大的颗粒碰撞会 对玻璃表面以及孔的侧壁造成封装系统无法接受的损伤，以此少见于先进封装工艺。
图2、喷砂法制作的TGV结构 2. 聚焦放电法：通孔均匀性好，生产效率较低 加工步骤：聚焦放电主要包括两个步骤：1. 将玻璃放在两个电极之间，通过控制放 电对玻璃局部区域进行放电熔融；2. 通过焦耳热使玻璃内部产生高应力，引起内部 高压和介电击穿，上述步骤可以在不到1 μs的时间内就完成100~500 μm厚的玻璃通 孔制备，可以制备最小孔径为20μm、深宽比5~8的玻璃通孔。工艺特点：聚焦放电产生玻璃通孔的方法可以制备多种类型的玻璃，如石英、钠钙 玻璃、无碱玻璃、含碱玻璃等，且从聚焦放电制作的TGV阵列可以看出，该方法能 够制作均匀性较好、没有裂纹的高密度通孔。但由于此方法是单次进行单孔制作， 所以生产效率较低，且从玻璃通孔的切片结果来看，通孔的形状不是很垂直，可能 会影响后续填充的效果
图3、聚焦放电制作TGV的示意图；TGV阵列和横截面扫描电镜图 3. 等离子体刻蚀：通孔可靠性提高，工艺成本较高 加工步骤：用等离子刻蚀法在石英玻璃上制作玻璃通孔步骤如下：1. 在石英上蒸发 沉积了一层铝层作为刻蚀硬掩模；2. 通过光刻的方法暴露出玻璃表面需要光刻的位 置；3. 用氯气或者三氯化硼腐蚀暴露的铝层，用氧气等离子体去除玻璃表面的光刻 胶；4. 利用全氟环丁烷/氩气等离子体蚀刻石英以形成TGV。
图4、等离子体刻蚀法制作TGV的具体流程 工艺特点：等离子体法刻蚀TGV可以同时进行大面积的多个TGV刻蚀，因此生产效 率相较聚焦放电法可以得到改善，且因为其侧壁粗糙度小（<150nm）、侧壁无损伤， 拥有良好的可靠性保证。但是等离子刻蚀TGV的方法也还存在许多缺点，包括工艺 复杂，需要额外的多个步骤；生产成本高，需要用到掩膜版、光刻胶等；以及刻蚀速 率慢，速率小于1 μm/min。 4. 激光烧蚀法：通孔垂直度较高，但粗糙度、无裂纹无法兼顾 激光烧蚀TGV制作是利用激光的能量将玻璃烧蚀以形成玻璃通孔，可制备出垂直度高的玻璃通孔。激光烧蚀所使用激光器主要包括飞秒激光、皮秒激光、纳秒准分子 激光器和CO2激光器等。其中CO2激光属于“热激光”，其通过局部烧蚀玻璃材料形 成TGV，但利用该种激光制备的TGV侧壁裂纹较多（热应力问题）；准分子激光器 属于“冷激光”，其烧蚀形成的TGV孔壁基本上没有裂纹出现，但是孔壁的粗糙度 略大（4~5 μm），且成孔效率较低。
图5、CO2激光、准分子激光制作通孔（上图为CO2激光，下图为准分子激光） 5. 电化学放电加工法：工艺简单设备要求低，但可加工孔径较大 加工步骤：电化学放电加工法是一种将电火花加工（EDM）和电解加工（ECM）相 结合的新型低成本玻璃微加工方法。该方法通过电解液的电化学放电和化学腐蚀产 生的热熔作用，将材料从基板中去除。电化学加工的电解槽由一个碱性电解质溶液 （氢氧化钾、氢氧化钠等）和两个电极组成，工具电极和对电极分别连接到电源的 正、负端子上。当两个电极之间施加电位差时，在工具电极周围由于气泡的聚结而 形成一层薄薄的氢气膜，将工具电极与周围的电解液完全隔离。当电位差进一步增大时，氢气膜破裂，产生电化学放电，并将将玻璃融化并移除。 工艺特点：该方法不仅工艺简单，且对设备要求较低，能快速加工出TGV。但是目 前该方法只能加工出孔径大于300 μm且上开口大于下开口的锥形玻璃通孔，这也大 大限制了该方法的应用范围。
图6、电化学放电法制备TGV装置 6. 光敏玻璃法：高密度、高深宽比通孔，但成本较高、材料受限 加工步骤：光敏玻璃法是指根据光敏玻璃材料特性，利用紫外曝光、热处理、湿法刻 蚀等方法实现玻璃通孔加工的工艺流程。加工前需先将玻璃进行预处理，即将玻璃 先后放入异丙醇和丙酮中分别超声清洗10min取出后用氮气吹干，除去玻璃表面杂质， 随后先通过紫外光对光敏玻璃进行曝光，并在马弗炉中进行热处理以让紫外线照射 过的区域材料变性成为陶瓷材料，最后通过氢氟酸溶液进行湿法刻蚀来去除陶瓷材 料，整个加工过程中需要精密的温度控制。
图7、光敏玻璃通孔制备工艺流程图；光敏玻璃热处理温度曲线 工艺特点：基于光敏玻璃的TGV制作方法优势在于采用高刻蚀速率的湿法腐蚀可以 实现各向异性刻蚀，从而获得高密度、高深宽比的玻璃通孔。但是该技术也存在两 个问题：1. 价格昂贵，光敏玻璃本身的材料价格和工艺制程价格都相对较高；2. 对 于不同尺寸的图形，尤其是盲孔或者盲槽的刻蚀，由于腐蚀速率不同会造成图形定义精度差别较大；3. 由于需要高温处理，会导致玻璃在半固化状态下移动，造成结 构偏移。
7. 激光诱导刻蚀法：目前最有大规模使用前景的工艺 加工步骤：通过脉冲激光诱导玻璃产生连续的变性区，相比未变性区域的玻璃，变 性玻璃在氢氟酸中刻蚀速率较快，基于这一现象可以在玻璃上制作通孔/盲孔。根据 《玻璃通孔三维互连镀铜填充技术发展现状》（纪执敬等），德国LPKF公司率先用 该技术实现了玻璃通孔制备，该公司将该方法分为两步：1. 使用皮秒激光在玻璃上 产生变性区域；2. 将激光处理过的玻璃放到氢氟酸溶液中进行刻蚀，该工艺可以制 备孔径最小为10μm的TGV通孔，典型深宽比在10:1的范围内，某些特殊条件下根据 玻璃类型可达到50:1。国内方面，厦门云天半导体科技有限公司成功开发了先进TGV 激光刻蚀技术，实现了深宽比为10:1的玻璃通孔量产，研发结果显示，该技术可以制 备深宽比为20:1的通孔和5:1的盲孔，且具备较好的形貌。
图8、激光诱导刻蚀制作TGV的流程 工艺特点：激光诱导刻蚀法的反映机理与上文展示的光敏玻璃法类似，都是通过某 种光线的照射使得玻璃内部出现变性区域，然后通过酸溶液湿法刻蚀完成，区别在 于激光诱导刻蚀法对无需使用特殊的光敏玻璃。此外，激光诱导刻蚀法的优势还包括：1.可以在50~500μm 厚的玻璃上形成孔径大于20 μm的玻璃通孔，成孔质量均 匀，一致性好，无裂纹；2. 成孔速率快，可达到290TGV/s；3. TGV形貌可调，由于 刻蚀的各向异性，可以通过调节激光参数来控制TGV的垂直度和形貌。但也具有激 光诱导速度慢、制备过程复杂、激光诱导孔径受激光范围限制、表面易损伤及对材 料要求高等缺点。
图9、激光诱导刻蚀形成通孔的显微镜图像 综合比较各种玻璃通孔制造技术，激光诱导刻蚀法具有低成本优势，有大规模应用前景。 （二）电镀技术：TGV 金属填充的三大关键步骤电镀是将金属（主流为铜）沉积入 TGV 结构，实现垂直导电的核心工序，需经过 “种子层制备 - 金属填充 - 表面平整化” 三步闭环，每一步都需攻克技术难点：
（三）薄膜溅镀：真空环境下的薄膜制备技术薄膜溅镀是 PVD 技术的核心应用，在真空环境中通过等离子体轰击靶材，使材料原子均匀沉积于玻璃基板表面，形成种子层、阻挡层等关键薄膜。其技术核心在于：
（四）玻璃通孔填孔技术：如何高质量进行金属填充 除了TGV成孔技术外，限制玻璃通孔应用的另一个技术难点是高质量的金属填充。一方面，与TSV不同，TGV孔径较大，且多为通孔，且受刻蚀工艺的影响，TGV孔的 形状不同，主要有盲孔、垂直通孔、X型通孔以及V型通孔四种类型，这些对铜的沉 积构成了较大的挑战，容易形成孔的“堵塞”；另一方面，与硅材料相比，由于玻璃 表面光滑，与常用金属的粘附性较差，容易造成玻璃衬底与金属层之间的分层现象， 导致金属层卷曲甚至脱落的现象
图10、四种TGV孔型示意图 为了实现TGV的无孔洞、无缝隙填充，针对不同的孔形填充方式也各不相同。目前 主要的填充工艺包括“自下而上（Bottom-up）填充”、“蝶形填充（Butterfly Model， BFT）”和“共形填充（Conformal）”三种填充方式。 1. Bottom-up填充：盲孔的主要填充方式 目前，对于TGV盲孔的主要填充方式是Bottom-up的填充。通过在TGV孔口侧壁及 表面添加抑制剂，在盲孔底部添加加速剂的方式，可以在抑制TGV孔口侧壁及表面 铜的沉积速度的同时，加速盲孔底部的Cu沉积，从而让Cu形成一种“自下而上”的 填充方式来确保整个盲孔的填充过程中没有孔洞和缝隙的出现。
图11、Bottom-up填充过程示意图 2. 蝶形填充：垂直TGV通孔的主要填充方式 目前，垂直TGV通孔的电镀填充方式一般为蝶形填充（BFT填充）。与盲孔填充相 比，通孔填充在流体力学与质量传输方面存在明显差异。盲孔填充时，镀液在孔内 很难流动，而镀液可以在通孔内部流动从而加强通孔内部的传质。且通孔与盲孔的 几何形状不同，没有盲孔所谓的底部，不会产生自下而上的填充方式。由于通孔与 盲孔在几何形状、流场、质量传输等方面的差异，导致用于盲孔填充的电镀配方无 法直接用于通孔的电镀填充。 蝶形填充的流程包括：1. 在TGV通孔壁上按照“两边多，中间少”的方式涂抹抑制 剂，从而影响通孔内次级电流的分布，让铜在孔的中心进行优先沉积的填充，形成 类似“蝴蝶”的形貌，故称之为蝶形填充；2. 当通孔的蝴蝶形状形成后，通孔转变 为两个对称的盲孔，填充方式由蝶形填充转变为Bottom-up填充，形成对通孔的完全填充。
图12、蝶形填充过程示意图 Dimitrov 课题组提出了一种高深宽比TGV通孔电镀的改良方案。首先使用酒精对 TGV进行预润湿，然后在不含添加剂的甲基磺酸铜镀液中预先沉积一定厚度的铜， 紧接着使用四唑类添加剂噻唑蓝溴化四唑（MTT）作为抑制剂，在恒定电流和恒定 电压的模式下对TGV进行电镀填充。通过使用这种改进的工艺，可以在1h和4h内实 现对深宽比为5:1和10:1的TGV的完整填充，且与TNBT、NTBC相比，成本较低 （MTT:NTBC:TNBT=1:8:14）。但是该工艺的流程相对复杂，工业化生产难度较大， 不过甲基磺酸铜镀液所允许的Cu2+浓度（1.5 mol·L-1）远远大于硫酸铜镀液（0.9 mol·L-1），可以提高电镀填充的速率，对于高深宽比的TGV通孔填充更具意义。
图13、改善后通孔填充过程包含的流程示意图 3. Conformal填充：X和V型通孔的主要填充方式 Conformal填充是通过添加剂的作用使得TGV孔内铜的沉积速率与孔的侧壁以及表 面的沉积速率相当的一种电镀方式。对于垂直的盲孔与通孔，conformal 填充模式 下随着填充过程的进行，其深宽比不断增大，在填充的最后阶段容易出现孔洞缺陷， 而X形、V形通孔由于其自身特殊孔形的原因，从根本上避免了中央孔洞缺陷的形成， 例如，X形通孔的中间区域较窄，在两侧Cu等速沉积的情况下会先于通孔中央形成 连接，然后逐步向上下两个方向进行类似“Bottom-up”的填充。相比于垂直通孔的 BFT电镀模式，Conformal的电镀模式由于加速剂的使用以及TGV孔形的原因，可以 实现更大电流密度下通孔的完整快速填充。
题14、Conformal填充在垂直盲孔和通孔上会导致孔洞缺陷的存在 4. TGV孔内电镀薄层 除了以上三种TGV电镀填实工艺，TGV也可采用通孔内电镀薄层方案实现电学连接。根据《玻璃通孔技术研究进展》（陈力等），在电性能方面薄层电镀与实心电镀的插入损耗差别较小，采用薄层电镀方案的优势是在保证电学性能的同时可以有效减小 电镀时间和电镀成本。通常电镀填孔需要现在玻璃通孔壁上沉积金属粘附层如钛(Ti)、 铬(Cr)等种子层，然后再进行Cu电镀，否则会出现脱落等现象。根据NSC日本株式 会社官网，相比电镀填实工艺，通孔内电镀薄层的孔深和孔径适用范围都更大，应 用范围更广。
图15、电镀填实工艺和通孔电镀薄层方案的对比（左为电镀薄层）
图16、TGV孔内镀膜方式对比 但是对于高深宽比通孔来说，物理气相沉积的设备和工艺过于昂贵，因此近年来研 发人员在开发采用化镀Cu种子层TGV低成本填充方案。根据《玻璃通孔技术研究进 展》（陈力等），美国安美特公司报道了金属氧化物黏附增强方法，通过把玻璃基板 浸入化学药液，覆盖纳米厚度的金属氧化物助黏胶形成黏附层提高化镀Cu层的黏附 力，当黏附层的厚度增加至5~20nm时，Cu与玻璃之间的剥离强度达到6 N/cm以上。乔治亚理工学院研发人员将环氧聚合物干膜贴在玻璃表面，提高化镀Cu与玻璃之间 的结合力，在薄玻璃衬底上层压介质层，在增强玻璃衬底机械强度的同时，可以作为表面RDL的黏附层，增强抗剥离强度。
图17、美国安美特公司可以制出9nm厚的金属氧化物粘附层以提高Cu黏附力；通过聚合物干膜方案来增强Cu的黏附力 |
