芯片越做越小，核心難點在通孔制造。

飛秒激光技術催生了兩大主流激光工藝路線，可用于加工玻璃通孔（TGV）。

玻璃通孔是在玻璃基板上按照特定陣列排布的高深徑比微孔，內部填充金屬后可形成導電通路。這類通孔能夠在堆疊的集成電路元器件之間建立電氣連接，助力打造結構緊湊、集成度更高的芯片器件。在半導體行業的網格晶圓與晶圓級封裝場景中，玻璃通孔應用廣泛，同一塊基板上往往需要集成多種形態、不同深徑比的微孔結構，其工藝價值不言而喻。

玻璃通孔的發展，與中介層技術深度綁定。該技術可實現多顆芯片在2.5D、3D集成電路中的高密度集成，將邏輯芯片、存儲芯片及其他高性能計算單元整合至同一平臺。短距離互連線路搭配優化的供電設計，還能有效降低芯片功耗。各層中介層之間必須實現電氣隔離，避免短路問題，而玻璃具備優異的高頻特性，是理想的絕緣介質材料。

從智能手機、車載傳感器到各類復雜微機電系統（MEMS），玻璃通孔都是實現高密度電氣互連的核心結構。合理設計通孔布局，能夠保障層間信號穩定傳輸，在縮小設備體積的同時，維持產品可靠性能。

當下電子產品不斷朝著小型化、高性能、低功耗方向迭代，玻璃通孔加工已然成為先進制造的關鍵工序，廣泛配套高端GPU、CPU及高頻電子器件的生產。探究激光技術制備玻璃通孔的工藝原理，也有助于進一步提升微電子器件的集成度與綜合性能。

圖1：高密度微孔玻璃鉆孔樣例

玻璃材料的加工難點

和硅、碳化硅等半導體常用材料一樣，玻璃質地脆硬，加工難度較大。玻璃本身機械強度高、化學性質穩定，但脆性特質使其在打孔過程中極易出現裂紋與表面損傷，進而破壞晶圓整體結構強度。由于微孔形貌會直接影響電路的高頻性能，因此加工過程必須進行精細化管控，保證基板結構完好。此外，單塊晶圓有時需要加工數十萬枚微孔，行業也一直在探索兼顧高產能與加工良率的制備方案。

目前業內已研究出多種玻璃通孔制備工藝，各大企業也持續投入資源進行技術優化，其中激光加工方案憑借突出的綜合效率脫穎而出。飛秒激光尤其適配玻璃通孔加工需求，制備的微孔錐度極小、深徑比大、內壁光滑，還能大幅降低崩邊、開裂等缺陷的發生概率。

現階段，業內研究最廣泛的激光制孔工藝主要分為兩類。第一種是激光直接刻蝕法：利用千兆赫茲（GHz）長脈沖序列完成打孔作業，設備通過振鏡掃描系統引導飛秒激光束，再經f-theta透鏡聚焦至加工工件表面。

第二種為激光改性+化學腐蝕法：先利用激光改變玻璃內部組織結構，再將經過改性的區域放入氫氟酸、氫氧化鉀（KOH）等酸堿溶液中進行腐蝕去除。該工藝采用貝塞爾光束聚焦物鏡，替代了傳統的f-theta透鏡。

兩種微加工工藝的參數設置，會直接影響玻璃通孔的孔徑、孔深、加工效率及結構質量等核心指標。

千兆赫茲脈沖序列刻蝕工藝優化

在單脈沖加工模式下，單純提升脈沖能量或平均功率雖能加快鉆孔速度，卻會嚴重損害加工質量，極易引發材料開裂。而脈沖序列模式會將單個激光脈沖拆分為多個子脈沖，并按照設定時間間隔輸出。在千兆赫茲工作區間內，子脈沖之間的間隔約數百皮秒。這種能量分時輸出的方式，讓千兆赫茲脈沖序列加工的效率顯著高于傳統單脈沖刻蝕。

從加工原理來看，脈沖序列刻蝕的效率優勢，源于打孔過程中獨特的材料去除機制。當脈沖序列作用于玻璃表面時，會先形成典型的V型孔道。密集輸出的子脈沖會讓熱量不斷在孔道側壁與底部累積，在適宜條件下，孔底材料會轉變為熔融狀態。與此同時，等離子體效應也起到關鍵作用：首個子脈沖激發產生的等離子體，在數百皮秒的間隔內無法完全消散，后續子脈沖作用時，孔內等離子體壓力會進一步升高，推動熔融材料向上排出，形成刻蝕-熔融排出復合加工機制。

圖2：千兆赫茲脈沖序列加工的材料去除原理

這套加工機制兼具高效與高品質兩大優勢：材料無需完全汽化，部分熔融物可借助等離子體作用直接排出。即便在常規工況下，也能加工出孔壁完好、無明顯裂紋與結構損傷的潔凈微孔。

平衡加工效率與成品質量

玻璃通孔的質量評判標準較為復雜，僅依靠外觀圖像與基礎參數容易造成誤判。產能、孔徑等單一指標無法全面反映加工效果，兩款參數相近的加工方案，制備出的微孔也可能存在巨大的內應力差異。舉例而言，若以單組脈沖序列內的子脈沖數量為變量測試鉆孔效率，會發現效率會在某一脈沖數量與能量區間達到峰值，但該看似最優的工況，往往會導致刻蝕區域周邊出現開裂、崩邊或高內應力等問題，嚴重影響通孔品質。

圖3：上圖：孔徑與脈沖序列總能量的對應關系，不同色線代表子脈沖數量差異；虛線為200毫米焦距透鏡加工結果，實線為20毫米焦距透鏡加工結果。中下兩圖：相同脈沖總能量下，分別采用200毫米、20毫米焦距透鏡加工的微孔形貌。

因此工藝優化的核心目標，不只是提升加工產能，更要找到穩定的加工區間，批量制備出無殘余應力、無結構缺陷的高品質微孔。綜合考量孔深、孔徑、整體形貌等參數，才能精準判斷微加工參數對玻璃通孔性能的影響。

激光聚焦透鏡的焦距，也會對鉆孔深度產生明顯影響。整體來看，深度小于1毫米的淺孔，無論搭配何種焦距透鏡，加工質量都更為穩定。在鉆孔初期，使用20毫米、100毫米這類短焦距透鏡，孔深增長速度更快。但加工深度持續增加后，短焦距透鏡加工的孔道容易出現穩定性問題，原本筆直的孔道會發生彎曲。該現象的具體成因尚未完全明確，推測與孔壁熔融、熔料排出擾亂鉆孔方向有關。

圖4：上圖：孔深隨聚焦透鏡焦距、脈沖數量的變化趨勢，測試基材為熔融石英；右下：短焦距透鏡加工的深孔易出現彎曲現象；左下：長焦距透鏡加工的孔道形態筆直、穩定性佳。

200毫米等長焦距透鏡可加工出深度超3毫米的深孔，孔深與脈沖數量基本呈線性增長關系，加工狀態十分穩定，也意味著可一次性完成多層玻璃片或玻璃晶圓的貫穿打孔，高度契合玻璃通孔量產對高產能的需求。

脈沖序列的總能量是決定孔徑大小的核心因素。在透鏡焦距、子脈沖數量不變的前提下，脈沖總能量越高，孔徑越大。相對而言，光學鏡頭焦距對孔徑的影響微弱，如圖3所示，相同脈沖能量下，20毫米與200毫米焦距透鏡加工出的孔徑差距極小，進一步印證了脈沖能量的主導作用。

除總能量外，孔徑還受其他參數影響。在一定深度范圍內，增加單組序列內的子脈沖數量，孔徑會穩步增大；超出該范圍后，孔道形態將變得不規則、穩定性下降。脈沖重復頻率同樣關鍵：在平均功率不變的情況下，40千赫茲高頻工況對比5千赫茲低頻工況，熱量無法及時散逸，熱累積效應加劇，最終形成的孔徑更大，平均孔深也略有增加。

綜合孔深、孔徑、形貌的變化規律可以確定，該工藝屬于熱加工范疇。通過調整脈沖序列參數與光學聚焦系統，并結合目標孔深匹配工藝設置，就能精準調控微孔形貌。千兆赫茲脈沖序列刻蝕對參數敏感度較高，但經過充分優化后，可穩定加工出錐度極小、無裂紋、無熱損傷的優質微孔。

圖5：千兆赫茲脈沖序列直接刻蝕制備的近無錐度熔融石英微孔，從上至下依次為入孔面、孔道剖面、出孔面。

激光改性+可控化學腐蝕工藝

通孔的尺寸、形貌及金屬填充效果，會直接影響器件的頻響等核心性能，很多應用場景都要求玻璃通孔具備特殊輪廓，例如沙漏形孔道、陡直孔壁等。

僅依靠激光改性，很難直接打造復雜形貌。貝塞爾光束可在玻璃內部形成連續、筆直的窄孔道，借助4F光路中的縮束光學元件，可將貝塞爾光束的有效作用區間長度控制在0.5至1毫米之間，根據玻璃基板厚度靈活調整，實現單次激光作用即可貫穿整塊玻璃。加工數毫米厚的玻璃樣品時，所需單脈沖能量范圍從數十微焦至數毫焦不等，具體數值由玻璃材質決定。實際加工中，還需要精細匹配脈沖能量、子脈沖數量，部分場景下還需調整脈沖序列包絡形態，讓前后子脈沖的幅值適配材料特性。

單純激光改性難以實現沙漏形等復雜孔道結構，而化學腐蝕工藝則提供了極大的形貌調控空間。實驗選用不同濃度、不同溫度（80~110℃）的氫氧化鉀溶液開展測試，結果證實腐蝕條件對最終成型效果影響顯著。溫度與腐蝕劑濃度越低，腐蝕速率越慢，但由于未被激光改性的區域腐蝕速度極慢，最終可得到高深徑比的孔道；提升腐蝕劑濃度與溫度，會加快腐蝕進度，但會降低深徑比，形成孔徑更寬、錐度更大的孔道。針對不同玻璃材質，在高溫高濃度腐蝕環境下，完成數百個微米級微孔的腐蝕流程最短僅需30分鐘，常規工況下也可在1小時內完成。

利用這一特性，技術人員可按需定制玻璃通孔形貌：高溫高濃度腐蝕條件適合加工沙漏形通孔；溫和的腐蝕環境則能制備錐度小、側壁陡直的孔道。

同時，腐蝕工藝可精準控制孔徑。激光改性區域初始寬度僅數微米，深度可達數毫米，經過腐蝕處理后，孔徑可拓展至10微米至100微米以上。僅通過改變腐蝕條件，就能讓同一處激光改性區域加工出不同孔徑、不同輪廓的通孔，工藝靈活性極強。

圖6：上圖：直壁型玻璃通孔橫截面；下圖：沙漏形玻璃通孔橫截面。

工藝方案選型

兩種玻璃通孔制備工藝均可精準控制孔道形貌，但在加工速度、設備配置、適用玻璃材質上各有差異。

激光改性+化學腐蝕工藝：單次激光掃描即可完成改性，最終孔徑與形貌由腐蝕環節決定，形貌定制能力突出。短板在于腐蝕流程耗時較長，往往需要數小時。

激光直接刻蝕工藝：單枚微孔需要數百至數千個脈沖完成加工，但無需后續腐蝕工序。加工1毫米深的微孔，耗時普遍不足1秒，最快僅需20毫秒。按照該效率，單塊數百萬微孔的晶圓可在1小時內完成加工，完全滿足工業化量產需求。

設備配置方面也存在明顯區別：激光直接刻蝕工藝搭配振鏡掃描系統，可快速切換激光點位，實現高速加工；而貝塞爾光束激光改性工藝，一般需要高精度位移平臺移動工件逐孔加工，會拉長整體生產節拍。

實際選型需結合玻璃材質與應用場景綜合判斷。激光直接刻蝕工藝流程簡潔、可一步成型，綜合表現亮眼；但如果對通孔品質、尺寸精度要求極高，激光改性配合化學腐蝕的方案，仍是制備高端玻璃通孔的主流選擇。

兩種工藝并非相互對立、無法兼容。在部分生產場景中，復合工藝能發揮更大優勢：例如采用激光直接刻蝕加工少量特殊通孔，再用激光改性腐蝕工藝加工其余大部分通孔，兼顧整體一致性與規模化生產能力?？偠灾?，這兩類工藝充分體現了飛秒激光的技術優勢，是支撐下一代先進半導體封裝技術落地的重要基礎。

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