随着半导体技术的飞速发展，电子器件小型化和高性能化的需求日益增长，高性能器件的工作环境更严苛，需要更可靠、耐用的封装技术。目前，随着集成电路产业的快速发展，封装技术已从传统的二维平面封装向三维立体封装转变。玻璃基板因其优异的电学、机械和热学性能，逐渐成为一种新兴的先进封装材料。其中，TGV能够实现高密度、低损耗的垂直互连，是实现高密度封装和三维集成的重要技术手段之一。

TGV技术的核心在于通孔加工与填充，这两个环节直接决定了芯片封装的稳定性和电学性能。通孔加工技术影响通孔的尺寸、形状和加工效率，通孔填充技术则决定互连的电学性能和机械强度。

玻璃基板通孔加工技术

通孔加工技术是TGV实现多层互连和高密度封装的关键工艺，要求加工过程效率高、精度高，所成孔具有良好的表面质量以及优异的垂直度和深宽比。主要的通孔加工技术包括喷砂法、电化学放电加工法、槽沉研磨法、激光烧蚀法和激光诱导蚀刻法。

喷砂法

喷砂法是一种通过高压喷射细小颗粒来蚀刻玻璃基板以形成通孔的加工工艺。固液混合体通过喷嘴高速喷射冲击玻璃基板表面，逐步蚀刻并去除材料，最终形成预定的孔结构。

通过调整喷砂的类型、粒度、喷射压力和喷射时间，可以精确控制加工孔径和深度。以硼硅酸盐玻璃为基础，水射流加工能够在较低压力且无需掩膜板的情况下，通过脆性侵蚀实现高精度加工，其加工的微孔和微槽均具备更高的边缘分辨率。

利用水射流喷砂技术，通过添加金属掩膜对铝合金和硼硅酸盐玻璃进行加工，在不破坏玻璃的前提下，使用金属掩膜可将通孔宽度缩小至不使用时的１／３，且掩膜厚度和喷砂速率对通孔质量有显著影响。

喷砂法具有优异的加工适应性，能够应对不同尺寸和厚度的玻璃基板，加工灵活性高，可加工多种形状和尺寸的通孔，并且设备成本较低、操作简单，适合大批量生产。但是该方法制作的TGV表面粗糙度不均匀，还存在粉尘污染、材料浪费和处理效率低等问题。

电化学放电加工法

电化学放电加工法是一种结合了电化学加工和放电加工优点的非传统加工方法，特别适用于加工玻璃等硬脆材料。

其基本原理为：在外加电压作用下，工具电极进行火花放电，释放巨大能量；在工具电极和材料之间形成的微小间隙内产生的高温、高压使材料熔化或气化，然后通过高压冲击去除；同时，高温加速了化学反应，使得碱性溶液对材料的化学腐蚀更为显著，从而在物理和化学的双重作用下完成加工过程。

电化学放电加工装置具备Ｘ、Ｙ、Ｚ三轴的线性运动能力，以及Ｚ轴的旋转功能。当工件与工具电极分别连接至直流电源的正负极时，电流信号通过多通道数据记录仪进行采集。为确保加工区域内电解液的充分供应，系统设计了外部喷雾供给装置，喷嘴位于进给方向。随着工具电极围绕Ｚ轴顺时针旋转，电解液顺利流入加工区域，确保了加工过程的稳定性。工具电极的运动包括Ｚ轴旋转、ＸＹ平面平移以及围绕中心轴的圆周运动，从而实现对工件的精准加工。

使用纯氢氧化钠电解质可以实现较大的加工深度，但会导致工具电极严重磨损；而使用混合氢氧化钾的电解质则可以显著减少工具电极磨损，但却只能加工出较小宽度的通孔。

随着混合电解质中氢氧化钾比例的提高，通孔的加工深度、宽度逐渐减小，同时工具电极磨损也相应减少。脉冲持续时间能显著提高孔的深宽比，在一定范围内可以优化加工深度、表面损伤、深宽比和工具电极磨损。

电化学放电加工法广泛应用于加工绝缘硬脆性材料的表面微结构，如微坑、微孔和微槽等。通过这种方法，可以精确制造出复杂的微小结构，满足高精度加工需求。然而，该方法也存在若干不足，例如电极磨损较快、工艺控制难度大、设备成本高昂以及加工速度相对较慢等。

槽沉研磨法

槽沉研磨法是将材料（通常是液态或软化状态）沉积到具有特定形貌的模具或基板的凹槽中，通过冷却或固化形成预期的形状和结构，再进行平坦化和研磨处理的方法。

具体步骤为：首先采用湿法／干法蚀刻或者激光烧蚀等方法，在硅片上加工出特定的形状作为模具；然后将洁净的玻璃片与硅模具进行键合，形成真空密封腔，并对其进行加热处理使玻璃片软化，利用真空腔内外存在压力差以及玻璃本身重力使得软化的玻璃流入模具中并填满空腔；最后进行减薄、平坦化处理除去多余的玻璃，并在硅通道上制作金属电极。

这种方法能够有效避免电极黏连问题，显著提高TGV的加工质量和可靠性，适用于光学微流体器件和微机电系统(MEMS)等需要高机械强度和精密加工的应用场景。

槽沉研磨法的优点包括良好的电绝缘性能和优异的表面质量，并且该工艺能简化复杂三维结构的制造。但在高深宽比结构中，可能存在填充不完全、工艺时间较长、产生热应力等问题。

激光烧蚀法

激光烧蚀法是一种利用高能量激光束去除材料来制造玻璃通孔的技术。其原理是通过聚焦高能量激光束在玻璃基板上，在局部区域产生极高的温度，从而使材料瞬间熔化或气化，并通过喷射或蒸发去除。激光烧蚀法装置通过激光系统产生超短脉冲激光，再通过反射镜、二向色镜和物镜等光学元件，将激光精确引导至玻璃样品表面。常用的激光源包括紫外激光、ＣＯ２激光和超短脉冲的飞秒激光。

玻璃在可见光范围内吸收率较低，因此紫外和红外激光对玻璃的微加工更为有效。为了提高光吸收能力，并减少微裂纹和碎屑的产生，可以加入银离子。一般而言，加工深度超过银离子渗透深度时，加工质量会下降，因此需精确设计离子分布。银离子掺杂可显著改善紫外激光加工中玻璃产生的微裂纹、碎屑和不规则孔结构，从而提高加工质量。

近年来，257nm深紫外飞秒激光在玻璃加工中取得了显著进展。研究表明，优化能量密度和重叠率可显著减少微裂纹、碎屑，实现高质量的加工。利用厚150μｍ的聚二甲基硅氧烷（PDMS）保护层改进CO2激光玻璃微加工的方法。传统的玻璃微加工在空气中常会产生凸起、碎片、微裂纹和烧焦等缺陷，而在PDMS层的保护下，通过控制激光功率在10～15Ｗ、扫描速度在228～342ｍｍ／S的条件下进行５次扫描，能够显著减少这些缺陷，获得无裂纹、无烧焦的优质蚀刻表面。该实验测量显示，使用ＰＤＭＳ保护层时，加工出的微孔边缘凸起高度仅为１.２μｍ，是空气中15.1μｍ高度的1/13。

激光烧蚀法加工精度高、灵活性强、无机械应力、加工速度快，但也存在凸起、碎屑、微裂纹和灼伤等缺陷。这些缺陷会对后续与其他材料（如金属、陶瓷或复合材料）的键合工艺质量产生负面影响，进而导致键合强度降低以及耐久性减弱。

激光诱导蚀刻法

德国LPKF公司提出了激光诱导蚀刻法，其加工工艺步骤如下：首先清洗玻璃基板，确保表面无灰尘和油污，并覆盖掩膜保护不需要加工的区域；然后选择适当的激光器并设置参数，通过计算机控制激光束定位，在玻璃上照射以改变其结构；最后将玻璃基板浸入化学蚀刻溶液中，优先溶解激光处理区域，控制蚀刻时间和溶液浓度，达到所需的蚀刻深度和结构。

相比于喷砂法、电化学放电加工法、槽沉研磨法和激光烧蚀法，激光诱导蚀刻法在高精度、加工灵活性和表面质量方面具有显著优势。结合了激光预处理的精度和化学蚀刻的选择性，该方法能够实现高质量的TGV加工，克服传统方法在精度、效率和材料适用性上的不足。然而，该方法存在加工通孔的垂直度不高，并且用于激光改造的设备成本昂贵。

玻璃基板通孔填充技术

在TGV成孔之后，需要对其进行填充以实现电气互联。填充工艺是实现高性能多层互连和高密度封装的关键步骤，主要包括金属电镀填充和导电膏填充。

金属电镀填充

在形成通孔后，需要在通孔内壁沉积一层金属种子层，通常采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）法实现。种子层材料一般为铜或镍，通过电镀工艺将铜和镍填充到通孔中。在电镀过程中，金属离子在电场作用下在种子层表面还原，逐渐填满整个通孔。由于该工艺采用自下而上的填充方法，需要防止填充过程中形成空洞，因此耗时较长且成本较高。

TGV通孔并不一定需要完全填充，可以选择沿侧壁或采用半封闭结构进行填充，这种填充方法称为部分填充。部分填充技术在电性能上已经接近完全填充技术，能优化电镀时间和成本。

金属电镀填充技术凭借其优异的导电性能、成熟的工艺流程及高效的填充能力，已成为当前TGV通孔填充的主要方法。因为自下而上的填充模式能有效避免空洞的产生，确保通孔结构的完整性。然而，传统的完全填充方式存在工艺耗时长、成本较高的局限性，且在高电流密度下易引发孔隙或表面缺陷。部分填充技术通过优化工艺时间和成本，实现了与完全填充相近的电性能，同时结合银纳米线等新材料的应用，进一步降低了制造成本和工艺复杂性。

导电膏填充

导电膏填充TGV是指通过在玻璃通孔中填充导电膏形成导电路径。导电膏通常包含导电颗粒（如银、铜等）和黏结剂（如环氧树脂或有机聚合物）。当在玻璃基板上形成高精度通孔后，首先应对通孔内壁进行表面处理以增强导电膏的附着力，然后将导电膏通过丝网印刷、注射填充或印刷涂覆的方法填充到玻璃通孔内。为确保导电膏在通孔内的均匀分布，通常采用真空辅助填充技术，以消除空气夹杂，避免形成空洞。

在导电膏填充完成后，需要进行固化处理，常用的固化方法包括热固化、紫外固化或化学固化。通过适当的固化处理，导电膏在通孔内形成稳定的导电路径。对通孔进行抛光和清洗，以确保通孔表面平整，满足后续封装和集成的要求。

导电膏填充具有黏附性，固化后可以调整导电通孔的热膨胀系数，使其接近基板。但是，导电膏的电导率通常低于金属导体，这会对电子器件的性能产生一定的影响；此外，导电膏填充的通孔在长期使用过程中可能会出现裂纹或分层等可靠性问题，这些缺陷限制了该方法的应用范围。

结论与展望

本文探讨了芯片封装用玻璃基板的通孔加工、填充技术的基本原理和研究进展，分析其技术水平的优缺点。每种玻璃基板通孔加工技术在具备其显著优势的同时，亦有相应的局限性。

（１）喷砂法工艺简单、设备成本低、操作灵活，适合加工大孔径通孔，尤其在大批量生产中具有优势。近年来，水射流喷砂技术的发展及金属掩膜的使用显著提升了通孔的加工精度，提高了孔径调控精度和边缘分辨率。然而，该方法仍存在裂纹易发、表面粗糙度不均匀、粉尘污染严重、材料浪费较大和处理效率低下等问题。

（２）电化学放电加工法能够制作高深宽比的玻璃通孔，加工精度高。然而，该方法工艺较复杂、工具电极磨损快，存在成本高昂、废液处理麻烦、加工效率低等缺点。

（３）槽沉研磨法具有加工精度高、表面质量优异和电气性能好等优点，适用于复杂三维结构的精密制造。但在高深宽比结构中，可能会出现填充不完全、工艺周期长和产生热应力等问题。

（４）激光烧蚀法具有加工精度高、灵活性强、效率高等优点，但因其热影响区大，容易引起热应力和微裂纹，且设备成本高。同时，部分玻璃材料对激光的吸收率低，导致加工质量下降。

（５）激光诱导蚀刻法具有高精度、快速成孔和无损伤加工等优点，使用该方法加工的成品表面质量优异，适合制造高深宽比玻璃通孔。但该方法的加工成本高、加工设备昂贵。

不同的玻璃基板通孔填充技术也各有优缺点。

（１）金属电镀填充技术具备优异的导电性能、成熟的工艺流程和高效的填充能力等特点，已成为TGV通孔填充的主要方法。传统完全填充方式存在耗时长、成本高等局限，相较而言，部分填充技术通过优化工艺和材料应用，大幅削减了过程的复杂性，降低了成本，同时保持了优良的电性能和结构完整性。

（２）导电膏填充技术有着工艺简便、成本较低等优势，在三维封装和无源器件集成方面具有应用潜力。但因电导率低、稳定性差和机械强度不足限制了其应用。

为更好地满足未来电子制造业对高精度、高可靠性封装技术的需求，TGV通孔加工和填充技术的进一步发展可以从以下２个方面展开深入探索。

（１）改进激光烧蚀加工方法，探索新的化学蚀刻技术

未来的研究可通过优化激光波长、脉冲宽度和能量分布，开发更为精确的控制技术，从而有效控制热影响区的范围，并显著减少玻璃材料的损伤。同时，开发新型化学蚀刻剂，深入研究其与玻璃材料的选择性反应，进一步提升蚀刻精度和通孔垂直度。还可以结合激光预处理与化学蚀刻的联合工艺，通过激光局部改性增强蚀刻区域选择性，优化蚀刻液的腐蚀速率和温度控制，以减少副反应、降低成本并提高生产效率。

（２）研究新型填充材料开发导电性能更优且热膨胀系数更匹配的新型填充材料，是提升ＴＧＶ通孔电性能和长期稳定性的关键。未来的研究可以聚焦于将具有更优导电性和热稳定性的导电纳米材料（例如石墨烯、碳纳米管）与金属复合材料相结合的应用探索。通过优化材料的填充过程，并结合先进的固化技术（如快速热固化、紫外固化），有望实现导电膏和金属填充的双重改进，满足高频、高可靠性电子器件的需求。