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機械工業雜誌

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摘要

玻璃通孔 (Through-Glass Via, TGV) 技術為次世代先進封裝與面板級異質整合的重要關鍵。然而, 高深寬比TGV 銅填孔製程容易受到添加劑交互作用、電流分布及通孔間距 (pitch) 差異影響,導致孔洞、 填孔不均勻等缺陷。本研究提出結合階梯式脈衝電鍍與單一添加劑系統創新銅填孔技術,透過脈衝電流 調控與沉積行為最佳化,有效平衡不同pitch 結構中的銅成長速率,實現均勻且無缺陷的由下而上填孔, 同時,導入應力緩衝層設計,降低研磨製程中殘留應力及玻璃破裂風險。本技術可於不同pitch 條件下達 成高品質、低面銅且無缺陷之TGV 銅填孔,具備大面積面板製程與量產應用潛力。

Abstract

Through-Glass Via (TGV) technology has become a key enabler for next-generation advanced packaging and panel-level heterogeneous integration. However, copper filling in high-aspect-ratio TGV structures is strongly influenced by additive interactions, current distribution, and via pitch variations, often resulting in voids and non-uniform filling defects. In this study, an innovative copper filling approach combining stepwise pulse electroplating with a single-additive system is proposed. By optimizing pulse current modulation and deposition behavior, the developed process effectively balances copper growth rates across different pitch structures, enabling uniform and defect-free bottom-up filling. In addition, a stress-buffer layer is introduced to reduce residual stress and minimize glass breakage risk during the grinding process. The proposed technology successfully achieves high-quality, low-overburden, and defect-free TGV copper filling under various pitch conditions, demonstrating strong potential for large-area panel processing and mass production applications.

前言

近年來,隨著人工智慧(AI)、高效能運算(HPC)、Chiplet 架構與異質整合技術快速發展,半導體元件對高頻寬傳輸、高密度互連及大尺寸封裝的需求持續提升。相較於傳統矽中介層與有機載板,玻璃基板因具備低介電損耗、優異尺寸穩定性、低熱膨脹係數以及面板化製程潛力,逐漸成為次世代先進封裝的重要發展方向。其中,玻璃通孔(Through-Glass Via,TGV)技術作為玻璃中介層與面板級封裝中的核心垂直互連技術,已受到全球半導體與封裝產業廣泛關注。

根據市場研究資料指出,全球玻璃中介層市場於 2024 年規模約為 9,470 萬美元,預估至 2032 年將成長至 2 億 6,120 萬美元,2026 年至 2032 年間之年複合成長率(CAGR)約為 12.2%[1],主要成長動能來自 AI、高速運算、5G 通訊及高頻高速封裝應用需求。

儘管 TGV 技術具備高度發展潛力,高深寬比結構銅填孔製程仍面臨許多挑戰。當通孔尺寸持續縮小且深度增加時,電鍍過程容易受到添加劑吸附行為、電流分布以及通孔間距(pitch)差異影響,造成局部銅沉積速率不一致,進而形成孔洞(void)、接縫(seam)或填孔不完整等缺陷。尤其在高密度與低密度通孔混合設計中,不同區域的電化學反應行為差異更加顯著,使傳統電鍍製程難以同時兼顧各區域填孔品質與均勻性。

此外,後續研磨與化學機械平坦化(CMP)製程中所累積的殘留應力,也容易導致玻璃基板產生翹曲或破裂,進一步影響整體製程良率與量產穩定性。針對上述問題,本研究提出結合脈衝電流電鍍與單一添加劑系統 TGV 銅填孔技術,透過脈衝電流參數調控與沉積行為最佳化,有效調整不同 pitch 結構中的銅成長速率,使高密度與低密度區域皆能維持穩定且均勻的由下而上填孔行為,可於不同 pitch 條件下實現高品質、低面銅且無缺陷之 TGV 銅填孔,並具備大面積面板製程與量產應用潛力,可望作為未來高階玻璃封裝與異質整合的重要關鍵技術。

全濕式 TGV 晶種層技術開發

TGV 技術扮演玻璃基板垂直互連的重要角色,可有效提升訊號密度與封裝整合能力。當 TGV 結構朝向高深寬比(High Aspect Ratio,HAR)與高密度設計發展時,金屬化與銅填孔製程將面臨更高難度。

傳統 TGV 金屬化多採用 PVD(Physical Vapor Deposition)作為晶種層製程,但 PVD 屬於典型視線型沉積方式(line-of-sight deposition),當孔深增加或孔徑縮小時,金屬原子不易均勻沉積於 TGV 側壁與孔底,因此容易產生側壁覆蓋率不足與晶種層不連續問題。當後續進行電鍍填孔時,局部缺陷區域容易造成電流集中與沉積中斷,進而形成孔洞(void)、接縫(seam)或鍍層剝離等問題,大尺寸玻璃基板通常需進行雙面 PVD 沉積,製程時間長且設備成本高,對面板級量產應用形成明顯限制。

DOI:10.30256/JIM.202609_(522).0009

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