在先進封裝領域，TSV（矽通孔）技術已經廣為人知。但近年來，TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）技術正以驚人的速度崛起，成為射頻前端、MEMS封裝、光通訊乃至2.5D/3D先進封裝的關鍵互連方案。
一、什麼是TGV？為什麼需要TGV？
TGV是在玻璃基板上製作垂直導電通孔的三維封裝技術。與傳統的矽通孔（TSV）相比，TGV具有以下核心優勢：
- 天然絕緣
：玻璃本身就是絕緣體，無需像TSV那樣額外沉積SiO₂絕緣層，工藝簡化，成本降低
- 射頻性能優異
：玻璃的介電常數（~4-6）和介電損耗（tanδ ~ 0.005）遠低於矽，特別適合高頻應用
- CTE可調
：通過調整玻璃成分，熱膨脹係數可在3-12 ppm/K範圍內調節，與矽晶片實現良好匹配
- 大尺寸低成本
：玻璃基板可做到G4.5/G6世代（>600mm×700mm），實現大板級加工，成本優勢顯著
- 透光性
：玻璃在通訊波段透光率>90%，支援光-電共封裝
二、TGV完整工藝流程詳解
TGV的完整工藝包含7個核心步驟，每一步都對最終器件的性能和可靠性至關重要。
1. 玻璃基板準備
選用高品質的硼矽玻璃或石英玻璃作為基板，厚度通常在100-500 μm之間。基板需經過雙面拋光，確保表面粗糙度低於1 nm。關鍵指標包括平整度（<0.5 μm/cm²）、CTE（3-8 ppm/K）和透光率（>90%）。
為什麼選擇玻璃？
玻璃是天然的絕緣體，無需像矽通孔（TSV）那樣額外沉積絕緣層。其射頻損耗遠低於矽，介電常數（~4-6）和介電損耗（tanδ ~ 0.005）都非常低，特別適合高頻應用。通過調整玻璃成分，熱膨脹係數（CTE）可在 3-8 ppm/K 範圍內調節，與矽晶片實現良好匹配。
2. 通孔成型（Via Formation）
在玻璃基板上製作垂直通孔是 TGV 的核心步驟，最主流的方法是雷射鑽孔，使用UV雷射（355 nm）或CO₂雷射（10.6 μm）通過高能脈衝燒蝕玻璃形成通孔。雷射鑽孔速度快，可實現100-1000孔/秒的加工效率。通孔直徑通常在20-100 μm，深寬比可達5:1至20:1。通孔類型包括貫穿整個基板的通孔和僅部分貫穿的盲孔。
替代路線是光敏玻璃（如肖特FOTURAN®），通過UV曝光+熱處理+HF濕法蝕刻，可製作垂直度極好的孔型，但成本較高。
A：玻璃盲孔（Blind Via）B：玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）C：X 形通孔、D：V 形通孔為特殊錐度通孔工藝形態
3. 種子層沉積（Seed Layer Deposition）
在通孔內壁沉積導電種子層，為後續電鍍提供導電通道。最常用的是磁控濺射（PVD），典型結構為Ti（50 nm）/Cu（200-500 nm）雙層。鈦層確保附著力，銅層提供低電阻導電通道。對於高深寬比孔，也可採用CVD或ALD以獲得更好的台階覆蓋率（>30%）。
4. 電鍍銅填充（Copper Electroplating）
通過電化學沉積（ECD）將銅填充到通孔中，實現垂直導電通道。這是TGV工藝中最關鍵的步驟之一。電鍍液為CuSO₄+H₂SO₄體系，配合三種有機加入劑協同工作：
- 加速劑（如SPS）：加速孔底沉積
- 抑製劑（如PEG）：抑製表面沉積
- 整平劑（如JGB）：改善表面平整度
三者協同實現自底向上的"底部-up"填充模式，確保無空洞（Void-free）填充。電流密度通常為1-3 ASD，填充速率0.5-2 μm/min。
目前國內大部分TGV廠家都是採用銅填充工藝，也有一少部分掌握 銀包銅、銀包錫的漿料配方工藝。國外一些廠家像 肖特 擁有鎢填充的工藝能力，Tecnisco擁有矽填充產品。
這裡要注意：一些 IC fab線是嚴謹涉銅的，因為銅極強的擴散污染能力會永久性摧毀電晶體器件。
5. 表面平坦化（CMP）
通過化學機械拋光去除表面多餘的銅和種子層，實現通孔與玻璃表面的平坦化。CMP使用含SiO₂或Al₂O₃磨料的拋光液，在弱鹼性（pH~10）條件下進行。關鍵指標：去除速率0.5-2 μm/min，表面粗糙度<5 nm Ra，Cu:Glass選擇性>50:1。
6. 再分佈層製作（RDL）
採用半加成工藝（SAP）在玻璃表面製作再分佈層，將通孔引出到所需位置。工藝步驟：介質層塗覆（PI/PBO/ABF）→ 光刻開窗 → 種子層沉積 → 電鍍銅增厚（3-15 μm）→ 去膠 + 種子層蝕刻。線寬/線距可達5/5 μm至20/20 μm，支援2-6層RDL布線。
7. 結構剖面
TGV的完整結構從下到上包括：底部RDL（水平布線）→ 玻璃基板（絕緣支撐）→ 銅填充通孔（垂直導電）→ 種子層（Ti/Cu粘附層）→ 頂部RDL（水平布線）→ 焊盤（晶片/封裝互連）。這種垂直+水平的互連結構實現了高效訊號傳輸。
三、TGV量產中的技術門檻
TGV雖然優勢顯著，但在量產中仍面臨多個技術瓶頸：
1. 雷射鑽孔的錐度與粗糙度
雷射鑽孔是目前的主流，但問題不少：
- 錐度控制難：雷射鑽孔天然形成錐形孔（上大下小），而 TSV 的深反應離子刻蝕（DRIE）可以做出近乎垂直的側壁。TGV 的錐角通常在 5°–15°，這會影響後續金屬化的均勻性和高頻性能。
- 孔壁粗糙度：雷射燒蝕會在孔壁留下微裂紋和熔融重鑄層（~1–5 μm 厚），這些缺陷會成為應力集中點，降低玻璃強度，也影響種子層的附著力。
- 加工效率 vs 質量：高功率雷射打孔快但熱影響區大、裂紋多；低功率雷射質量好但速度慢。量產中這個取捨很棘手。
- Taper 貫穿孔 vs 盲孔：盲孔對雷射能量和焦點位置的精度要求更高，孔底殘留玻璃層的厚度控制是個難點。
替代路線：光敏玻璃（如肖特 FOTURAN®）通過 UV 曝光 + 熱處理 + HF 濕法蝕刻，可以做出垂直度極好的孔，但成本高、工藝窗口窄，目前還沒大規模鋪開。
2. 種子層沉積-高深寬比孔的台階覆蓋
這是 TGV 最核心的工藝瓶頸之一。
- 深寬比 > 10:1 時，PVD 濺射很難覆蓋孔底和側壁中部：濺射是視線沉積（line-of-sight），孔深了以後，頂部會"遮擋"底部，導致底部種子層極薄甚至不連續。
- CVD 和 ALD 可以解決台階覆蓋問題： CVD 的沉積溫度高（>300°C），與玻璃基板的熱膨脹匹配和有機介質層的相容性成問題。ALD 雖然覆蓋完美，但沉積速率極慢（~1 Å/cycle），對於 300–500 nm 的種子層來說產能太低。
- 粘附力：銅在玻璃上的粘附力天然很差，必須用 Ti、Cr 或 TiW 做中間粘附層。但粘附層的選擇和厚度需要精細最佳化——太薄附著力不夠，太厚增加電阻和工藝複雜度。
3. 無空洞電鍍填充
高深寬比孔的"底部-up"填充
需要加入劑系統的精確配比。加速劑（SPS）在孔底富集、抑製劑（PEG）在孔口富集，形成濃度梯度驅動自底向上填充。但這個梯度對電流密度、溫度、加入劑濃度都非常敏感，工藝窗口很窄。
- 孔口提前封口（Pinch-off）
如果抑製劑濃度不夠或電流密度偏高，孔口會先於孔底填滿，形成內部空洞——這在後續工藝中會直接導致器件失效。
- 填充時間
深孔（>500 μm）的填充可能需要數小時，影響產能。
- 應力管理
電鍍銅的殘餘應力如果控制不好，會導致玻璃基板翹曲，影響後續光刻對準精度。
4. 玻璃脆性與應力管理
這是 TGV 區別於 TSV 的一個根本性挑戰。
- 玻璃是脆性材料
在加工、搬運、熱處理過程中容易開裂。尤其是大尺寸（G4.5/G6 世代）薄玻璃（<200 μm）的搬運和夾持非常困難。
- 熱應力
銅的 CTE（~17 ppm/K）和玻璃的 CTE（3–8 ppm/K）差異很大。在電鍍後退火、介質層固化等熱處理過程中，熱失配應力可能導致玻璃開裂或銅柱脫層。
- 邊緣裂紋
雷射鑽孔產生的微裂紋在後續工藝中可能擴展，導致整片基板報廢。需要額外的退火或 HF 刻蝕來去除損傷層。
5. 透明基板的光刻對準
玻璃透明，傳統光刻機的對準標記識別困難，需要金屬對準標記或背面照明等特殊方案。目前TGV的RDL線寬/線距一般在5/5 μm以上，與矽基先進封裝（<2/2 μm）還有差距。
核心瓶頸總結：高深寬比孔的種子層覆蓋和無空洞電鍍填充是TGV量產中最棘手的兩個技術門檻，直接決定通孔導通性和產品良率。
目前產業界（如肖特、康寧、群創、三星電機等）正在通過光敏玻璃路線、最佳化雷射參數、開發專用電鍍加入劑和薄玻璃搬運技術來逐步攻克這些門檻。TGV 在射頻前端模組（如 5G 濾波器、天線耦合器）領域已經進入量產，但在更廣泛的先進封裝領域（如 2.5D/3D 整合）還需要解決上述瓶頸。
四、TGV在半導體行業中的應用場景
1.RF 射頻前端模組（最成熟）
這是 TGV 目前商業化最成功的領域。
- 5G/6G 濾波器封裝
聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）濾波器對寄生參數極其敏感。玻璃的低介電損耗（tanδ ~ 0.005） 和穩定的介電常數讓 TGV 在濾波器封裝中顯著優於矽基方案。村田、Qorvo、Skyworks 等射頻巨頭已在量產中採用 TGV 基板。
- 射頻開關和 LNA 模組
玻璃的高絕緣性減少了射頻訊號間的串擾，同時玻璃的 CTE 可與 GaAs/SiGe 晶片良好匹配。
- 天線耦合器 / 功分器
玻璃的低損耗特性使這些無源器件的插入損耗降低 0.3–0.5 dB，這對射頻前端鏈路的整體噪聲係數改善非常可觀。
一個典型 5G 射頻前端模組中，TGV 基板可以整合 4–8 個濾波器 + 開關 + LNA，通過玻璃通孔實現垂直互連，模組面積比傳統 LTCC 方案縮小 30–50%。
2. MEMS 封裝
- 慣性感測器（加速度計、陀螺儀）
玻璃的 CTE 與矽接近（可調至 3–5 ppm/K），且玻璃是絕緣體，無需額外絕緣層。TGV 為 MEMS 器件提供了低應力的垂直互連方案，避免了 TSV 中 SiO₂ 絕緣層熱應力對 MEMS 懸空結構的干擾。
- 麥克風封裝
玻璃的聲學特性和氣密性適合 MEMS 麥克風的後腔設計。TGV 通孔連接背板和 ASIC，同時保持腔體的密封性。
- 微鏡陣列（DMD / 光開關）
玻璃的透光性允許光學訊號穿過基板，TGV 提供電學互連，這在光學 MEMS 中是矽基板無法直接實現的。
3. 光通訊 / 矽光子封裝
- 光收發模組
玻璃在通訊波段（1310 nm / 1550 nm）的透光率 > 90%，允許光訊號直接穿過基板。TGV 可以將光纖陣列、雷射器、探測器和驅動晶片整合在同一玻璃基板上，實現光-電共封裝（Co-Packaged Optics）。
- 光互連橋接器
在資料中心交換機中，TGV 基板作為光學引擎和 ASIC 之間的橋接中介層，同時傳輸高速電訊號和光訊號。
4. 2.5D / 3D 先進封裝中介層（Interposer）
這是 TGV 目前最具想像空間的方向。
玻璃中介層替代矽中介層：目前 CoWoS 等 2.5D 封裝使用矽中介層（Si Interposer），但矽中介層存在成本高（> $1000/片）、RC 延遲大、高頻損耗高的問題。玻璃中介層可以做到：
- 成本降低 40–60%（大板級工藝 vs 晶圓級工藝）
- 射頻性能顯著優於矽
- 可製作大尺寸（G4.5/G6 世代）中介層
- HBM 記憶體堆疊的玻璃橋接：三星和 SK 海力士正在評估用 TGV 玻璃橋接器替代矽橋（如 Intel EMIB），用於 HBM 和邏輯晶片之間的高頻寬互連。
- Chiplet 整合：玻璃基板可以作為多個 Chiplet 的整合平台，利用 TGV 實現晶片間的低損耗、高密度互連。英特爾、三星、台積電都在研發玻璃基板用於下一代 Chiplet 封裝。
5. 功率器件封裝
- GaN / SiC 功率器件
這些器件工作在高壓（>600V）、高頻條件下。玻璃的高擊穿場強（>10 MV/cm） 和優異的絕緣性使其成為理想的功率器件封裝基板。TGV 提供垂直互連，同時玻璃基板提供良好的散熱路徑。
- 電動汽車逆變器模組
玻璃基板的高溫穩定性（>400°C）和低熱膨脹使其適合 SiC 功率模組的封裝，目前博世、英飛凌等正在評估。
6. 生物醫學 / 微流控
- 基因測序晶片
玻璃的化學惰性和透光性使其成為微流控晶片的理想基板。TGV 提供電學介面，連接感測器和外部電路。
- 植入式器件
玻璃的生物相容性優於矽，TGV 可用於神經探針、藥物釋放晶片等植入式器件的封裝。
7. 顯示驅動 / MicroLED
- MicroLED 巨量轉移基板
玻璃基板與顯示行業的 TFT 背板工藝相容。TGV 可以為 MicroLED 晶片提供垂直互連，實現高密度、小間距的顯示模組。
- OLED 驅動背板
TGV 用於 OLED 面板的驅動 IC 封裝，利用玻璃的透明性和低熱膨脹。
五、國產 TGV 產業全景
國內在TGV產業比較有代表性的幾家公司在產業和應用方面的總結如下：
主攻的應用領域對比：
- 華天科技和 晶方科技是： TGV 量產的第一梯隊，覆蓋應用最廣、客戶認證最深
- 沃格光電：是獨立 TGV 代工廠中工藝最成熟的，LIDE 技術路線有差異化優勢
- 京東方：在大尺寸賽道上有獨特卡位，但量產進度是關鍵變數
- 凱盛科技：中國建材旗下 TGV 起步最晚，目前以 UTG 玻璃材料供應為主，TGV 工藝能力尚弱
總的來說，國產 TGV 在 RF 和 MEMS 領域已經站穩腳跟，正在向光通訊和功率器件領域延伸。但在最關鍵的 2.5D/3D 先進封裝中介層 領域，國產 TGV 與國際領先水平還有明顯差距，核心瓶頸在於高端裝備和材料的國產化不足。(光路芯途)