隨著玻璃基板在先進半導體封裝中的重要性日益提升，玻璃晶圓上製成的精密開孔，對於實現次世代電子裝置正扮演著關鍵角色。這些開孔為電氣互連、流體通道、光學傳輸、對準結構以及特殊封裝功能提供了通路。.
與傳統的矽材料加工不同，在玻璃晶圓上開孔面臨著獨特的挑戰，因為玻璃是一種脆性材料，極易發生邊緣崩角、微裂紋及殘餘應力。若要獲得邊緣平整且尺寸精確的開孔，必須謹慎選擇加工方法、製程參數及檢測技術。.
本文闡述了玻璃晶圓取芯製程、現有的製造技術、常見的品質問題，以及半導體與先進封裝應用中的關鍵設計考量。.
何謂玻璃晶圓取芯？
玻璃晶圓鏤空是指在玻璃晶圓上製成精密圓形開口或空腔，同時維持周圍材料結構完整性的製程。.
所形成的開口可用於：
- 穿透玻璃過孔（TGV）的製備
- 感測器整合
- 光路
- MEMS 裝置
- 微流體系統
- 晶圓級封裝
- 對位孔
- 機械定位
- 真空包裝
- 半導體中介層結構
視應用情況而定，開口可能為：
- 一個完整的通孔
- 盲孔
- 一個內嵌的凹槽
- 階梯狀開口
- 精密沉頭孔
所需的幾何形狀決定了應採用何種製造製程。.
為何在先進封裝中使用玻璃
玻璃之所以成為一種極具吸引力的基板材料，是因為它兼具優異的電學、機械及熱學特性。.
與有機基板相比，玻璃具有以下優點：
- 出色的尺寸穩定性
- 低介電損耗
- 高電絕緣性
- 表面處理光滑
- 熱膨脹係數變化小
- 高平面度
- 良好的光學透明度
- 與細間距再分配層的相容性
與矽相比，玻璃在高頻應用中通常能提供更低的射頻訊號損耗，並提升性能。.
隨著晶片級模組（chiplet）架構、人工智慧處理器及異質整合技術持續演進，玻璃中介層正日益受到半導體製造商的關注。.
為何取芯比表面看起來更困難
雖然與藍寶石或碳化矽相比，玻璃看似相對較軟，但在加工過程中卻表現得像一種脆性材料。.
與延性金屬不同，玻璃會發生斷裂，而非塑性變形。.
在取芯過程中，若製程控制不當，可能會導致：
- 邊緣崩裂
- 輻向裂紋
- 地表下損害
- 殘餘應力
- 表面刮痕
- 錐形孔
- 微粒污染
- 角部骨折
這些缺陷可能會降低晶圓良率，並影響後續製程，例如金屬化、TGV 形成及晶圓接合。.
常見的玻璃晶圓取芯技術
可根據孔徑、晶圓厚度、公差要求及產量，選擇多種製造方法。.
機械式核心鑽探
金剛石鑽心鑽探是開鑿相對較大孔洞的傳統方法之一。.
優點包括
- 成熟技術
- 良好的尺寸控制
- 適用於原型製作
- 適用於各種玻璃材質
然而，機械接觸會產生切削力，這可能增加崩角和微裂紋的風險。.
適當的冷卻液供應、主軸轉速及進給速度至關重要。.
超音波加工
超音波加工是將高頻振動與研磨漿料結合，藉此去除脆性材料。.
福利包括：
- 較低的切削力
- 減少邊緣損壞
- 為易碎玻璃提供更佳的性能
- 適用於精密開孔
當必須將機械應力降至最低時，通常會選擇超音波加工。.
雷射鏤空
基於雷射的取芯技術在半導體應用領域中已日益普及。.
與機械切割不同，聚焦的雷射能量無需與材料產生物理接觸，即可對材料進行改性或去除。.
優點包括
- 微孔加工能力
- 高定位精度
- 彈性幾何結構
- 降低機械負荷
- 極佳的自動化潛力
超快雷射系統能進一步減少熱影響區及微裂紋。.
雷射鏤空技術特別適用於先進封裝與精密微電子領域。.
水刀輔助加工
對於某些較大的開口，可採用磨料水刀加工。.
儘管其熱影響相對較小，但若不進行額外的精加工工序，通常無法達到半導體封裝所需的尺寸精度。.
混合式製造
許多製造商會在同一條生產線中結合多種技術。.
例如：
- 雷射預鑽孔
- 機械精加工
- 邊緣拋光
- 清潔
- 表面檢查
混合式處理既能提升生產力，又能改善最終品質。.
精密玻璃開口的設計考量
成功的玻璃晶圓取芯，始於適當的產品設計。.
孔徑
孔徑越小，通常就越需要更嚴格的製程控制。.
孔徑大小的影響：
- 加工方法
- 週期時間
- 畫面比例
- 邊緣品質
- 檢查難度
- 製造成本
設計師應盡可能避免採用不必要的小直徑。.
晶圓厚度
晶圓厚度與孔徑之間的關係，會直接影響加工的複雜程度。.
高長寬比會增加以下事項的難度：
- 清除碎屑
- 胎側品質
- 尺寸精度
- 孔的直線度
較薄的晶圓可減少鑽孔深度，但需要額外的處理支援。.
球洞位置
位置精度對於以下情況尤為重要：
- TGV 陣列
- 光學對準
- 多晶片封裝
- MEMS 結構
- 感測器整合
工程圖中應明確標示基準點的參考位置。.
邊緣距離
開口與晶圓邊緣之間的距離不足，會增加斷裂風險。.
工程師應在每個開口周圍預留足夠的材料，以確保在整個加工過程中維持機械強度。.
表面與側壁品質
孔的品質是根據幾項特徵來評估的。.
循環性
完成的開口應盡量貼近預期的圓形幾何形狀。.
圓度不佳可能會使金屬化及元件組裝過程變得複雜。.
圓柱度
對於通孔而言，側壁應盡可能保持筆直。.
過度的錐度可能會影響 TGV 鍍層及電氣性能。.
胎壁粗糙度
光滑的側壁可改善：
- 金屬沉積
- 黏附
- 電氣可靠性
- 流體流動
- 光學性能
對於要求嚴苛的應用，可能需要進行額外的拋光處理。.
邊緣崩角
開口處的入口或出口周圍若有小塊缺口，可能會成為裂紋的起始點。.
因此，在進行後續加工之前，會仔細檢查邊緣品質。.
取芯後的清潔工作
加工過程會產生微粒、研磨殘留物及微小的玻璃碎片。.
清潔工作通常包括：
- 去離子水沖洗
- 超音波清洗
- 化學清潔
- 顆粒去除
- 乾燥
- 表面檢查
在進行金屬化或晶圓接合之前，清潔度尤為重要。.
檢驗方法
玻璃晶圓的開孔通常會採用多種量測技術進行檢測。.
光學顯微鏡
用途：
- 邊緣運算晶片
- 表面缺陷
- 裂縫檢測
- 孔的幾何形狀
座標測量系統
度量：
- 孔徑
- 定位精度
- 孔距
- 循環性
3D 光學輪廓測量
提供以下資訊：
- 表面粗糙度
- 台階高度
- 邊緣輪廓
- 側壁幾何形狀
自動化視覺檢測
生產環境中，通常會採用自動化檢測系統來進行大批量的品質控制。.
這些系統在提高一致性的同時，也能縮短檢驗時間。.
製造業常見的挑戰
微裂縫
微裂紋在初步檢查時可能無法被察覺，但在熱循環或晶圓處理過程中可能會擴散。.
經過優化的加工參數有助於將其形成降至最低。.
粒子生成
玻璃微粒可能會污染後續的半導體製程。.
適當的冷卻液流量、清潔程序及設備維護，可減少污染。.
孔錐度
刀具磨損或製程設定不當，可能會導致開孔呈錐形。.
對於 TGV 應用而言，側壁幾何形狀至關重要，因為它會影響後續的金屬化過程。.
殘餘應力
機械或熱處理可能會產生內部應力。.
應力可能會導致在封裝或可靠性測試期間出現延遲開裂。.
玻璃晶圓取芯的應用
精密玻璃開孔在現代半導體製造中被廣泛應用。.
常見的應用包括：
穿玻璃過孔 (TGV)
玻璃鑽孔會先形成初始開口，這些開口隨後會進行金屬化處理，以形成電氣互連。.
MEMS 裝置
許多 MEMS 感測器都需要精確定位的腔體和流體通道。.
光學封裝
透過玻璃開口，可將光纖、透鏡及光子元件整合至緊湊型封裝中。.
生物醫學晶片
微流體裝置通常仰賴精密切削加工而成的玻璃通道與儲液槽。.
射頻封裝
玻璃基板能為高頻通訊裝置提供卓越的訊號完整性。.
晶圓級封裝
精密開孔技術使多種功能層能夠在先進的半導體封裝內實現緊湊整合。.
客製化生產所需資訊
在索取玻璃晶圓取芯報價時，買方應提供：
- 玻璃材質
- 晶圓直徑
- 晶圓厚度
- 孔徑
- 孔深
- 職缺數
- 位置公差
- 表面品質
- 側壁要求
- 邊緣品質
- 繪圖檔案
- 生產數量
- 檢驗要求
完整的圖紙有助於製造商推薦最適合的製程。.
常見問題
玻璃晶圓鏜孔與鑽孔有何區別？
「鏤心」通常指在控制幾何形狀的同時，以最小損傷的方式製成精密孔洞；而「鑽孔」則是一個更廣泛的加工術語。半導體應用通常需要比傳統鑽孔更嚴格的公差。.
雷射鏤空加工能否消除邊緣崩角？
雷射加工雖能顯著減少機械損傷，但若製程參數設定不當，仍可能產生熱損或微裂紋。.
哪種製程最適合 TGV 的生產？
最佳方法取決於孔徑、晶圓厚度、長寬比、產量以及金屬化要求。許多製造商會將雷射加工與後續的精加工步驟結合使用。.
能否在玻璃晶圓上製成極小的孔洞？
是的。超快雷射系統與專用的微加工技術，能夠以極高的定位精度加工出極微小的開口。.
孔洞品質是如何進行檢驗的？
製造商通常會利用光學及自動化量測設備，評估直徑、位置、錐度、側壁品質、表面缺陷、邊緣缺口以及微粒污染。.
玻璃的種類會影響取芯過程嗎？
是的。硼矽酸鹽玻璃、熔融二氧化矽、石英玻璃及特種包裝玻璃，各自具有不同的熱學與機械特性，因此需要採用不同的加工參數。.
總結
玻璃晶圓取芯是一項關鍵的製造製程，為先進半導體封裝、MEMS 裝置、光子學以及穿透玻璃通孔技術的快速發展提供支持。.
要製造出高品質的開口，遠非單純開個孔那麼簡單。製程選擇、加工參數、側壁品質、潔淨度以及檢驗，這些因素都對最終裝置的可靠性至關重要。.
隨著半導體封裝持續朝更細的間距與更大的玻璃基板發展，精密玻璃晶圓鏤空技術將持續成為未來電子系統不可或缺的關鍵技術。.