《Materials Science in Semiconductor Processing》：Recent advances and trends in manufacturing methods and applications of through-glass vias (TGVs) in advanced packaging
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•本综述全面总结了TGV的制造工艺，这些工艺系统地分为放电加工、湿法蚀刻、激光加工、激光诱导等离子体蚀刻和感光玻璃法。•本文详细介绍了各种TGV通孔填充技术——电镀、直接填充导电材料和碳纳米管填充。•文章还详细探讨了TGV的可靠性问题，并深入分析了其在先进封装中的应用。引言在半导
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本综述全面总结了TGV的制造工艺，这些工艺系统地分为放电加工、湿法蚀刻、激光加工、激光诱导等离子体蚀刻和感光玻璃法。
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本文详细介绍了各种TGV通孔填充技术——电镀、直接填充导电材料和碳纳米管填充。
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文章还详细探讨了TGV的可靠性问题，并深入分析了其在先进封装中的应用。
引言
在半导体领域，集成电路（IC）正不断向更高密度、更高性能、更低功耗和更大集成度发展，这推动了封装技术的持续迭代。传统的主流导线键合工艺受到工艺限制，难以克服细间距的瓶颈。倒装芯片技术缺乏垂直互连路径，这使得实现三维堆叠变得困难。因此，通过2.5D和3D堆叠来突破工艺限制已成为解决这些挑战的关键。
根据基板材料和工艺的不同，这类垂直互连技术（简称TXV）包括透硅通孔（TSV）、透玻璃通孔（TGV）、透陶瓷通孔（TCV）和透模通孔（TMV）[3]。表1对 these 技术进行了比较。总体而言，每种TXV技术都有其优缺点，适用场景也高度分化。其中，TSV凭借其成熟的制造工艺、高密度和出色的散热性能，成为高功率、高密度2.5D/3D堆叠的核心解决方案。
然而，随着封装技术的不断发展，硅的缺点——如由于其高介电常数导致的高频性能下降、明显的寄生效应以及由于硅晶圆尺寸限制而无法实现大规模集成——逐渐凸显。因此，研究人员将注意力转向了玻璃，因为它具有成本效益和高精度加工性。
硅的热膨胀系数（CTE）为2.9–4 ppm/K，而玻璃的CTE范围为3至9 ppm/K [3]。相比之下，铜的CTE为18.5 ppm/K [4]。玻璃的成分和CTE可以定制，某些玻璃系统可以减少铜与基板之间的热失配。尽管如此，铜和玻璃之间的CTE失配仍然是影响TGV可靠性的关键因素。硅的相对介电常数为11.9，而玻璃的相对介电常数在2到5之间 [5]，仅约为硅的三分之一。此外，玻璃的损耗正切值为0.001–0.005，比硅的0–0.05低一个到两个数量级 [4]。这些特性可以显著降低基板损耗和寄生效应，从而确保信号传输的完整性。
同时，由于容易获得大尺寸和超薄基板，且无需额外沉积绝缘层，玻璃中间层的制造成本大幅降低，制造工艺也大大简化。即使中间层厚度小于100 μm，变形仍然很小 [4]，这有助于保持良好的机械稳定性。
TGV通过在玻璃晶圆上形成通孔（或盲孔）并随后填充导电材料来实现芯片之间的垂直互连 [6]。Sukumaran等人 [7] 在2014年首次在玻璃基板上制备了与基于硅的TSV相同大小的15 μm微型封装通孔。在TGV制造过程中，首先在玻璃基板上进行通孔蚀刻，然后在侧壁和表面沉积种子层。接着通过电镀沉积铜，之后采用退火处理和化学机械抛光方法去除表面铜层。最后进行光刻、蚀刻并形成钝化层。
玻璃基板在高频应用中具有多种内在优势：它们在高频下的损耗低，非常适合5G/6G、射频（RF）前端等高速系统。此外，玻璃简化了制造工艺，材料成本低于传统的硅或有机基板，并且与面板级制造兼容，从而满足了大面积集成的要求。
TGV在RF芯片、高频微机电系统（MEMS）传感器和高密度系统集成领域具有明显优势，使其成为下一代5G/6G高频芯片三维封装的首选方案之一 [8]、[9]、[10]。图1展示了一个典型的3D集成电路器件的横截面示意图。
目前关于TGV的报告和研究相当丰富。Zhao等人 [3] 综述了TXV技术，系统地阐述了TSV、TGV、TCV和TMV的原理、工艺和应用，重点是比较不同材料制成的通孔。Zhang等人 [4] 将TGV视为下一代3D集成的核心技术，描述了其制造、填充和应力特性。Yu等人 [2] 关注TGV的应用，分析了其在3D封装和MEMS等场景中的优势以及其在高频性能方面的优势。尽管这些综述提供了特定方面的宝贵见解，但专门针对TGV制造方法、通孔填充工艺、后处理、可靠性分析和先进封装应用的系统性综合总结仍然有限。特别是，工艺、填充、后处理、可靠性和应用之间的关系尚未得到充分整合。因此，本综述旨在填补这一空白，提供TGV制造方法、通孔填充策略、可靠性问题及先进封装应用的全面概述，同时客观评估现有工作的局限性和未来发展方向。
图2展示了本综述的整体结构框架。第2章介绍了各种TGV制造工艺。第3章详细阐述了通孔填充技术和后处理工艺。第4章系统分析了TGV的核心可靠性问题。第5章详细描述了TGV在先进封装中的重要应用。第6章总结了全文，展望了通孔形成和填充技术的未来发展方向，并讨论了TGV技术目前面临的挑战及其潜在的发展路径。
章节摘录
TGV孔的制备
本章详细介绍了TGV的各种制造工艺。根据加工原理和能量应用形式的差异，这些制造技术被分为放电加工、湿法蚀刻、基于激光的加工、等离子体蚀刻和感光玻璃法。每种类别在加工效率、长宽比能力和适用场景方面都有其独特的优势和局限性。
TGV填充技术
TGV通孔的主要功能是实现垂直电互连；因此，必须用金属填充这些通孔以形成高质量的导电层，从而确保通孔的可靠性 [79]。TGV的填充方法与TSV的基本相同，主流技术是填充导电材料（如电镀铜）[55]。与TSV填充过程不同，玻璃的绝缘特性使得绝缘处理变得必要
TGV的可靠性分析
与TSV类似，TGV的可靠性问题主要源于玻璃基板和填充铜之间的CTE失配。研究表明，玻璃在断裂强度方面的机械性能优于硅 [46]。TGV的直径通常大于TSV [115]，由于应力与特征尺寸成正比，因此直径较大的TGV更容易出现应力相关问题。
天线
近年来，毫米波雷达已成为先进驾驶辅助系统（ADAS）的核心技术。其中，77 GHz雷达技术已经成熟，并已在71%的自动紧急制动（AEB）场景中得到应用。到目前为止，已经开发出了主要工作在76–81 GHz频段的设备 [149]、[150]。传统上，封装天线主要使用印制电路板（PCB）制造；然而，由于工艺限制，设备
总结
TGV技术作为一种重要的垂直互连技术，因其低介电损耗、高电阻率、出色的表面平整度、可调的热膨胀系数和光学透明度而成为基于玻璃的先进封装的关键技术。本综述介绍了主要的TGV制造方法，包括放电加工、湿法蚀刻、基于激光的加工和感光玻璃加工
作者贡献声明
魏全：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、正式分析、概念构思。谢中斌：撰写——审稿与编辑、正式分析。曹云奇：撰写——审稿与编辑。侯迪博：资金获取。陈志强：监督、项目管理、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62273304和62104181）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2026JC-YBQN-0872）的支持。
魏全|谢中斌|曹云奇|侯迪博|陈志强
