中國粉體網(wǎng)訊 在我們?nèi)粘Ｉ钪�，智能手機(jī)、電腦、智能家居設(shè)備越來越智能，背后離不開芯片技術(shù)的飛速發(fā)展。就像城市發(fā)展從平房向高樓大廈演進(jìn)一樣，芯片制造也正在經(jīng)歷從二維結(jié)構(gòu)到三維集成的變革。而玻璃基板鍵合技術(shù)，正是這場變革中讓芯片"疊高樓"的核心工藝。
芯片制造的"后摩爾時(shí)代"挑戰(zhàn)
過去幾十年，芯片性能提升主要依靠制程微縮，也就是把芯片上的晶體管做得越來越小。當(dāng)制程工藝逼近3nm以下時(shí)，遇到了物理極限，導(dǎo)致芯片發(fā)熱嚴(yán)重、功耗劇增，依賴縮小尺寸提升性能的老路越走越窄，業(yè)界稱之為"后摩爾時(shí)代"。
隨著Chat GPT、無人駕駛等人工智能技術(shù)爆發(fā)，算力需求呈指數(shù)級(jí)增長。知名計(jì)算機(jī)專家吳軍曾形容，Open AI每訓(xùn)練一次，就相當(dāng)于3000輛特斯拉同時(shí)跑30多公里。這就要求芯片不僅算力強(qiáng)，還要功耗低，就像汽車既要跑得快，又要省油。傳統(tǒng)二維芯片就像單層廠房，空間有限，而三維集成技術(shù)則把芯片變成"摩天大樓"，通過立體堆疊大幅提升算力密度。
玻璃基板：三維芯片的"理想地基"
在三維芯片領(lǐng)域，玻璃基板堪稱“理想地基”。其卓越的性能為芯片發(fā)展筑牢根基，憑借較低的介電常數(shù)，玻璃基板在高頻信號(hào)傳輸中展現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢，損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅材料，為5G、6G乃至未來更高速的通信場景提供了穩(wěn)定保障。同時(shí)，玻璃基板采用面板工藝生產(chǎn)，成本大幅降低至硅基方案的八分之一，且天然絕緣特性簡化了工藝步驟，在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，有效控制成本。
玻璃通孔（TGV）技術(shù)作為玻璃基板應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)，更是為三維芯片搭建起高效“運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)”。飛秒激光誘導(dǎo)刻蝕技術(shù)，以“光刀”精準(zhǔn)加工出通孔，結(jié)合磁控濺射、蝶形電鍍等工藝，構(gòu)建出低阻導(dǎo)電通路。表面的多層銅布線（RDL），將信號(hào)對(duì)準(zhǔn)誤差控制在極小范圍，如同精密的交通樞紐，讓芯片間的信號(hào)傳輸既高效又精準(zhǔn)，使玻璃基板成為推動(dòng)三維芯片技術(shù)發(fā)展的理想之選。
鍵合工藝：讓芯片"疊高樓"的"超級(jí)膠水"
鍵合工藝作為三維封裝的核心技術(shù)，需在低溫條件下實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料界面高強(qiáng)度結(jié)合，并精準(zhǔn)調(diào)控鍵合層的電學(xué)特性(絕緣/導(dǎo)通)，是構(gòu)建高可靠性三維互連架構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。玻璃基鍵合技術(shù)通過界面化學(xué)重構(gòu)與機(jī)械互鎖機(jī)制，已廣泛應(yīng)用于MEMS諧振器、光子集成電路及微流控傳感器的封裝領(lǐng)域，其核心在于解決玻璃與硅、金屬或聚合物等異質(zhì)材料間的熱-力-電協(xié)同匹配問題。
在玻璃基三維封裝中，垂直互連通常依賴TGV通孔內(nèi)的導(dǎo)電金屬填充如(Cu、Ti)。通過物理氣相沉積(PVD)結(jié)合電鍍工藝實(shí)現(xiàn)通孔金屬化后，需借助鍵合技術(shù)完成多層玻璃基板或芯片的堆疊集成。目前的鍵合工藝包括熱壓擴(kuò)散鍵合、陽極鍵合、超高真空表面活化室溫鍵合等。
熱壓擴(kuò)散鍵合：熱壓擴(kuò)散鍵合作為玻璃基三維封裝的主流技術(shù)，通過熱物理作用實(shí)現(xiàn)界面原子級(jí)互擴(kuò)散。在高溫下，特別是超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，玻璃的表面化學(xué)狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化，這些變化涉及表面化學(xué)鍵的重排或新的表面結(jié)構(gòu)的形成，這是熱壓縮鍵合過程的基礎(chǔ)。
陽極鍵合：陽極鍵合，又稱電場輔助鍵合或靜電鍵合，該技術(shù)通過熱場與電場的協(xié)同作用，驅(qū)動(dòng)玻璃中堿金屬離子的定向遷移，實(shí)現(xiàn)玻璃與金屬、半導(dǎo)體的原子級(jí)鍵合。在典型工藝中，玻璃-硅體系被加熱至300~500℃的熱激活溫度區(qū)間，同時(shí)施加500-1500V直流電場，在這種情況下，玻璃材料變得更柔軟，玻璃中的鈉離子在電場驅(qū)動(dòng)下向陰極遷移，形成厚度約10-50μm的鈉耗盡層，與此同時(shí)，氧陰離子擴(kuò)散至硅表面，與硅原子反應(yīng)生成2-5nm厚的非晶態(tài)氧化硅過渡層，最終通過Si-O-Si共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度界面結(jié)合。
活化液體錫焊料陽極鍵合工藝示意圖 來源：Wim.Optimized solder alloy for glass-to-metal joints by simultaneous soldering and anodic bonding
超高真空表面活化室溫鍵合：為消除傳統(tǒng)熱鍵合工藝中熱應(yīng)力引發(fā)的界面失穩(wěn)效應(yīng)，研究者開發(fā)出基于超高真空表面活化改性的室溫鍵合技術(shù)。該技術(shù)通過高能離子束轟擊鍵合表面，實(shí)現(xiàn)污染物剝離與氧化層刻蝕，同時(shí)誘導(dǎo)表層原子化學(xué)態(tài)重構(gòu)，暴露出高活性亞穩(wěn)態(tài)原子層，進(jìn)而在室溫條件下通過物理接觸即可形成高強(qiáng)度化學(xué)鍵合。
表面活化鍵合原理圖 來源：《表面活化室溫鍵合技術(shù)研究進(jìn)展》（張洪澤等）
結(jié)語：
從手機(jī)到衛(wèi)星，從AI到量子計(jì)算，玻璃基板鍵合技術(shù)就像芯片制造中的"隱形基建"。當(dāng)我們驚嘆于AI模型的智能、5G網(wǎng)絡(luò)的速度時(shí)，正是這些看似微小的工藝創(chuàng)新，在幕后支撐著科技革命的大廈。隨著技術(shù)不斷突破，未來的芯片可能像樂高積木一樣自由組合，而玻璃基板鍵合技術(shù)，正是連接這一切的"科技膠水"，讓更多不可能成為可能。
參考來源:
傅覺鋒.玻璃基鍵合技術(shù)研究進(jìn)展
張洪澤.表面活化室溫鍵合技術(shù)研究進(jìn)展
李文磊.玻璃通孔的結(jié)構(gòu)控制方法及電磁特性研究
Wim.Optimized solder alloy for glass-to-metal joints by simultaneous soldering and anodic bonding
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/月明)
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