热处理工艺对电镀金属化玻璃通孔（TGV）基板的影响
论文信息：
Miao Wang , Jihua Zhang , Libin Gao , Hongwei Chen , Wenlei Li , Juefeng Fu , Lei Zhao , Yangxu Qiao , Ke Qin , Dongbin Wang , Shuang Li , Ting Liu , Xingzhou Cai , Yong Li , Bin Peng , Wanli Zhang，The influence of heat treatment process on electroplated metallized through glass vias (TGV) substrates.Journal of Alloys and Compounds 1035 (2025) 181522
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181522
Part.1 研究背景 射频（RF）芯片是现代通信系统的核心组件之一，广泛应用于手机、无线网络设备、卫星通信和雷达系统等领域。随着 5G 和物联网技术的发展，对射频芯片的性能要求日益严苛，其三维封装技术已成为研究热点。射频芯片的三维封装能够提高信号传输速度、减小体积、提升系统性能并实现高水平集成。在射频芯片的三维封装中，基于玻璃通孔（TGV）技术的封装基板发挥着关键作用。在 TGV 基板的金属化过程中，由于材料间热膨胀系数不匹配以及电镀过程中的应力累积，容易发生翘曲，影响研磨工艺的成品率和加工精度。热处理作为半导体行业中的关键工艺，在控制 TGV 基板翘曲方面发挥着重要作用 。本研究通过在氮气保护气氛下实施热处理工艺，控制铜覆盖层玻璃基板的翘曲高度。系统研究了不同温度下铜电镀玻璃基板的翘曲高度演变、TGV-Cu 晶界类型、晶粒微观结构变化以及电阻率和微纳力学性能的变化。 Part.2 研究内容 本研究采用厚度约为 330μm、边长为 200mm 的石英玻璃基板。通过激光加工将原材料加工成 50mm×50mm 的方形玻璃片。TGV 基板的制备如图1所示。
图 1 带有恒定横截面分叉板（CCBP）的分叉扩张微通道示意图。
图 2 显示了电镀后 TGV 基板中填充的铜柱的扫描电子显微镜图像和三维 X 射线渲染图。TGV 的直径为 50μm，高度为 300μm，深径比为 6:1，密度达到 2×10⁴个 /mm²。TGV 的两端完全被金属覆盖，无空洞，减薄后无缺陷，证明了通孔金属化工艺的良好可靠性。微观结构分析表明，所制备的电镀金属化 TGV 基板具有极高的通孔密度和生产稳定性。
图2 (a)横剖面玻璃基片的扫描电子显微镜图像和能谱图以及（b）通孔电解铜柱的3D X射线渲染。
在热处理过程中，玻璃（SiO₂）- 钛 - 铜结构的界面结合强度对材料的整体性能至关重要。本研究采用分子动力学模拟技术对该结构进行了深入研究，旨在揭示钛原子在石英和铜界面的作用，并探索界面结合强度演变的微观机制。
图 3 SiO₂-Ti-Cu 界面结构模型相关图表：(a) 展示了 SiO₂-Ti-Cu 系统弛豫前后的界面原子结构；(b) 呈现了 SiO₂-Ti-Cu 结构系统弛豫前后的原子间距；(c) 为 SiO₂-Ti-Cu 结构系统的电子局域函数；(d) 为 SiO₂-Ti-Cu 结构系统的部分态密度（PDOS）。
图 4 展示了全面的 EBSD 结果，包括图像质量（IQ）图和晶粒取向差（GOS）图。结果表明，通孔内的铜晶粒大致为等轴晶。热处理工艺一方面影响抑制裂纹扩展的能力，另一方面，由于通孔内铜柱与玻璃的热膨胀系数差异显著，热处理过程中产生的残余应力和塑性应变对电互连的可靠性具有不可忽视的影响。
图4 图像质量（IQ）图（a1-d1）和颗粒取向扩展（GOS）图（a2-d2）;（e）热处理前后样品的颗粒尺寸分布;（f）热处理前后样品的定向角分布。
在讨论晶界特征时，重合位置点阵（CSL）也是一个值得关注的关键因素，因为它对多晶材料的力学性能有显著影响。在某些特定的取向差角度下，一个晶粒内的某些晶格点将与相邻晶粒的晶格点完全对齐，因此，CSL 由两个相邻晶粒晶格重合的位置（原子）组成。
图 5 (a) 为热处理前后通孔电镀铜柱的重合位置点阵（CSL）晶界比例；(b) 为热处理前后通孔电镀铜柱的施密特因子以及 Σ3 孪晶界（蓝线）和 Σ9 孪晶界（粉线）图像。
图 6 反极图（IPF）及相关示意图：(a) 为电镀态样品的 IPF 图；(b) 为 100℃处理样品的 IPF 图；(c) 为 200℃处理样品的 IPF 图；(d) 为 300℃处理样品的 IPF 图；(e) 为约束热应力方向示意图。
在微电子制造行业中，芯片封装中的 TGV 基板作为实现垂直连接的关键组件，其加工质量直接影响整个微电子系统的性能和可靠性。一般来说，铜柱在研磨和抛光过程中的行为和摩擦学性能往往受到材料本身固有特性的影响。本实验旨在探索热处理前后通孔内铜柱的微纳力学行为和摩擦学性能变化，以期为优化研磨和抛光工艺、提高 TGV 基板研磨和抛光质量提供理论依据和经验支持。
图 7 (a) 为热处理前后通孔电镀铜柱的纳米压痕载荷 - 位移曲线；(b) 为热处理前后通孔电镀铜柱的最大压痕深度（dmax）、杨氏模量（E）和硬度（H）。
图 8 显示了热处理前后铜覆盖层 TGV 基板翘曲曲率半径的直方图。借助测试设备提供的拟合程序，随着热处理温度从室温升高至 300℃，电镀铜 TGV 基板的拟合翘曲半径先减小后增大。
图 8 TGV基片热处理前后的弯曲弯曲半径的柱状图。
本研究还重点分析了互连铜柱的电学性能。图 9 显示了热处理前后通孔内电镀铜柱电阻率的变化曲线。一方面，晶界数量增加，当电子通过晶界时，会发生散射，这增加了电子散射的频率，从而减小了电子的平均自由程，导致电阻率升高。另一方面，当晶粒尺寸减小时，材料中空位原子和晶体缺陷的比例相对增加，这些点缺陷也会散射电子，降低电子迁移率，导致电阻率升高。
图9 热处理前后通孔电解铜柱的电阻率和平均粒度的柱状图。
采用 XPS 测试技术表征了不同热处理温度下电镀铜中的杂质元素，视场直径为 500 微米。测试前，采用氩离子束刻蚀去除表面吸附的 C 和 O。图 10 显示了不同热处理温度下电镀铜和校准铜经氩离子束刻蚀后的 XPS 全谱图。
图 10 XPS 图谱：(a) 不同温度下电沉积铜的 XPS 全谱图；(b) 不同温度下电沉积铜的 C1s 高分辨图谱。
总体而言，热处理后，通孔内电镀铜柱的微观结构、力学性能和电学性能发生了显著变化。因此，综合考虑 TGV 基板的翘曲高度、铜柱的微观结构、力学性能和电学性能，100℃热处理更适合实现优异的综合力学和电学性能。图 11 是加工后电镀金属化 TGV 基板的晶圆级键合图像。
图11 加工后粘合的电解金属化TGV基片。
研究总结
本研究成功制备出低翘曲电镀金属化 TGV 基板，系统探究了热处理对垂直互连铜柱微观结构、微纳力学性能及电学性能的影响，并分析了基板翘曲曲率半径与铜覆盖层残余应力的相关性。研究发现，钛原子可促进铜在 SiO₂-Ti-Cu 界面偏聚以提升界面稳定性与结合强度；200℃热处理时铜柱应力集中小、抗裂性优，300℃时则因孪晶强化提升耐磨性，而 100℃热处理能实现基板最小翘曲，且铜柱晶格畸变较小、电阻率较低，综合考量后为兼顾低翘曲与力学、电学性能的最优热处理温度。
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