文章来源：ACT激光聚汇

AI、5G/6G 通信、毫米波雷达、射频等技术的不断发展，正促使半导体芯片封装不断向着满足高密度、高带宽、高频率、低功耗、低成本的方向日益精进，以满足越来越严苛的应用需求。在此背景下，基于玻璃中介层基板的先进封装正成为行业新宠。

相比于传统的硅中介层介电损耗高、布线密度不足等问题，玻璃基板凭借低介电常数、高绝缘性、热膨胀系数与硅匹配、成本更低等优势，成为替代硅基板的理想选择。

玻璃基板可以通过高精度钻孔制作微小导通孔（TGV，Through Glass Via），实现层间垂直电连接，因其具有高平整度特性，可支持多层基板堆叠，构建高密度 3D 互连结构，满足芯片小型化、高性能的需求。

据印制电路板行业权威咨询机构Prismark预测，到2026年，全球IC封装基板行业规模将激增至214亿美元。英特尔等业界巨头的加入，更是推动了玻璃基板对硅基板的替代进程，预计未来3年内玻璃基板的渗透率将达到30%，未来5年内渗透率有望突破50%。

玻璃基板的广受青睐，也带动了TGV玻璃通孔加工市场的增长蓝图。据 Yole Intelligence《2024 年玻璃通孔（TGV）技术与市场报告》显示，全球 TGV 加工市场规模将从 2023 年的 12 亿美元增长至 2030 年的 78 亿美元，复合年增长率（CAGR）将高达 32.6%，其中半导体封装领域占比最大（2023 年约 65%），预计 2027 年 HBM 封装中 TGV 的渗透率将超 80%，AI 芯片封装对高深宽比（>50:1）TGV 的需求年增长高达45%。

在前景诱人的TGV加工市场需求的驱动下，吸引了越来越多的厂商不断进入这个极具发展潜力的赛道发力耕耘，纷纷布局，以期在市场中赢得更多商机。

TGV加工需要满足钻孔精度高、速度快、间距窄、深宽比高、侧壁光滑、垂直度好、成本低等一系列严苛要求。在众多TGV加工方法中，目前被广泛应用的是激光诱导蚀刻（Laser-Induced Etching）方法。这种工艺首先利用超短脉冲激光依据设计图案有选择性地对玻璃进行诱导改性，然后再通过化学蚀刻将经过激光改性的部分刻蚀掉，最终形成通孔。整体来看，这种方法具备加工精度高、成孔快、深宽比高、无损伤、设备维护成本适中等优点，因此被厂商们普遍采用。

立陶宛Workshop of Photonics公司（简称WOP）自2017年开始TGV钻孔研发，经过多年的实验积累和专业积淀，如今已经能提供品质卓越的高深宽比通孔加工，加工良率可达100%，并且具备优异的可重复性。其加工技术适用于多种玻璃类型、不同通孔结构（包括沙漏型、直孔型和锥形孔），并可采用不同化学试剂实现多样化蚀刻能力。

图1：多年来WOP在TGV玻璃通孔加工方面所取得的显著进步。（图片来源：WOP）

WOP利用其Femto TGV系统输出的300fs超短脉冲（能量密度>5J/cm²），能在10-15秒内完成材料的激光诱导改性，避免热影响区的形成。WOP能加工的最小孔径为5μm、深宽比20:1、孔径精度±1μm（515mm×510mm基板的整体偏差＜5μm）、孔圆度＞95%、侧壁粗糙度Ra<0.15μm、腰部尺寸一致性：硼硅酸盐玻璃＞90%，无碱玻璃＞75%（偏差为 ±3%）。可加工厚度范围50μm~5mm的玻璃基板。加工系统采用智能聚焦系统，搭载高精度Z轴位移台+实时波前校正算法，确保通孔垂直度偏差<0.3°。

据悉，Femto TGV系统能将数据中心光互联的功耗降低40%，为下一代CPO封装与硅光集成提供底层技术支撑。更值得注意的是，WOP官网公布的信息显示，其能实现100%的TGV加工良率，如果这是在实际生产线中达到的效果，则无疑对加工效率的提升和成本降低都大有裨益。

立陶宛EKSPLA公司利用其Femtolux 30飞秒激光器，通过GHz脉冲串（GHz Burst）模式，来实现高质量、高深宽比的TGV加工。通过GHz脉冲串将单个高能量脉冲细分成50个低能量的小脉冲，可以实现80：1以上的高深宽比TGV。但是如果玻璃厚度变化，则需要精确控制每个Burst中的脉冲数量和能量等参数。EKSPLA验证了GHz Burst加工模式在AN100、BK7、BF33、D263、EXG和soda-lime等不同玻璃材料上进行TGV加工的可行性。

另外，Femtolux 30激光器还可以提供MHz+GHz burst 模式，通过这种加工模式可以实现自下而上的钻孔，形成TGV。这种自下而上的钻孔工艺，将激光聚焦到材料的下表面，不仅可以快速去除材料的烧蚀物，形成零锥度的孔，而且可以通过延迟Burst长度，加工更大的面积，显著提高加工吞吐量。测试表明，MHz+GHz burst模式能以600mm3/min的高速度，在BF33和D263玻璃上加工出直径200m的高质量TGV，非常适合大面积加工。

EKSPLA 的 TGV 加工方案显著优化了传统工艺中对化学蚀刻的依赖，通过 GHz Burst 模式加工的孔，在某些情况下甚至可以无需后续蚀刻步骤，具体依应用要求而定。另外，用户也可以根据实际应用情况，在Femtolux 30激光器的GHz Burst和MHz+GHz burst加工模式之间自由切换，以灵活应对不同的表面粗糙度和加工吞吐量的需求。

图2：EKSPLA利用MHz+GHz burst模式，在SCHOTT BF33/D263 玻璃中自下而上钻孔，形成大面积的直径200μm的通孔。（图片来源：FTMC）

德国通快集团与德国SCHMID 集团合作开发了“激光蚀刻+湿法化学处理”工艺。该工艺首先利用通快的TruMicro系列超短脉冲激光器与TOP Cleave玻璃加工专用激光聚焦头，有选择性地对玻璃做改性处理；随后再用蚀刻溶液刻蚀掉经过激光改性的区域，生成所需要的高精度通孔。

通快可加工厚度100μm~1mm的玻璃，加工的孔径公差±5μm，深度公差±10μm，可满足 3D 集成封装中微米级互连的需求。通快表示这种工艺能将TGV加工的时间缩短90%，目前该工艺已经进入商业化应用阶段。

接下来，通快将集中资源攻克 TGV 加工中的一些技术瓶颈，如提升激光加工速度（目前可达每秒数百孔）和良率（＞99.5%），同时降低设备成本。随着AI芯片、自动驾驶等领域对高密度封装的需求激增，通快计划在2025-2027年间推出新一代 TGV 激光加工系统，支持更大尺寸（如300mm玻璃晶圆）和更高精度（线宽＜1μm）的加工需求。这一系列动态表明，通快正通过技术创新、产业链合作与战略聚焦，巩固其在 TGV 加工领域的领先地位，推动玻璃中介层成为下一代半导体封装的主流技术。

图3：乐普科利用激光诱导深度蚀刻技术加工的玻璃通孔。（图片来源：乐普科）

德国乐普科在TGV加工方面，利用其“激光诱导深度蚀刻（LIDE）”技术，首先根据设计图形以激光直写的方式对玻璃进行选择性改性；然后对整片玻璃进行各向同性的湿法蚀刻，经过激光改性区域的玻璃材料的蚀刻速度远远快于未经改性的区域。LIDE工艺能够精准控制能量在玻璃内部形成熔融区，实现高深宽比通孔加工，解决镀铜电路时的玻璃破裂难题。

LIDE工艺能实现孔径公差±5μm，深度公差±10μm，线宽线距1.5μm，支持 20~500μm 厚度的玻璃，每秒可加工5000个通孔，最小孔径可达5μm。与硅通孔（TSV）工艺相比，加工时间缩短 60%，材料成本降低 40%，设备集成成本降低 20%。不难看出，乐普科在TGV 加工速度上优势显著，5000孔/秒的吞吐量将为高速大规模生产奠定坚实的基础。

据悉，乐普科基于LIDE工艺开发的Vitrion 5000系列TGV加工设备，已交付韩国三星电机，用于半导体玻璃基板中试线，支持2025年芯片封装原型开发。

图4：帝尔激光加工的深宽比100:1的玻璃通孔。（图片来源：帝尔激光）

以上是几家国际激光企业在TGV加工方面的进展情况，国内激光企业在TGV加工方面也在积极发力。

帝尔激光创新的TGV加工方案，利用激光加速可控蚀刻（LACE）技术，能够借助高功率密度的激光束，在透明材料内部迅速形成微小改质通道。基于改质与非改质区域的腐蚀速率差异，进一步通过化学蚀刻，可以精准制作出深宽比高达100:1且形貌可控的玻璃通孔，最小孔径可达5µm，最小孔间距不超过10µm。

帝尔激光在 TGV加工深宽比方面的大幅突破，显著提升了高密度封装的互连效率，在半导体先进封装领域展现出了强劲的应用潜力。据悉，帝尔激光的TGV激光微孔设备已实现小批量订单，并获得多家客户的打样试验，后续订单增长乐观。

图5：利用Femto2-R40飞秒激光对玻璃改质后并腐蚀成小孔的加工效果。（图片来源：华日激光）

华日激光在TGV加工的深宽比方面更上一层楼，已经实现了高达150:1的深宽比。

华日激光的工业级Femto2-R40飞秒激光器，可实现小于190fs的红外飞秒脉冲输出，能够实现微米甚至纳米级别的通孔加工，孔圆度小于3μm，加工精度高；其输出的单脉冲能量>200μJ，玻璃通孔侧壁粗糙度小，垂直度好；百万孔一致性>98%，深宽比高达150:1，满足高端制造需求；支持510mm×515mm大面积玻璃基板加工，加工速率高达每秒10000孔。

150:1的深宽比、每秒万孔的加工速度以及小于190fs超短脉宽加持下的高精度，使得TGV加工在精度、效率、稳定性和加工面积上均表现优异，既能满足高端制造对超高集成度的需求，又能适配大面积基板加工场景。

尽管 TGV加工已经取在加工精度、速度、良率等方面取得显著进展，但是要走向大规模商用仍然需要在以下几个方面继续突破：

首先是高速与高精度之间的矛盾。如何兼顾高精度和高吞吐量，是超快激光加工领域一个老生常谈的核心命题。虽然现有技术已经能够实现亚微米级的加工精度（如清华团队的超隐形切割技术实现 10nm 横向精度），但加工速度仍受限于激光脉冲频率和扫描策略。例如，传统激光诱导蚀刻（SLE）需数小时完成深孔加工，而 AGC 与东京大学的新技术虽然能将速度提升至传统方法的 100 万倍，但是加工质量的稳定性仍是未知。利用贝塞尔光束的多光束阵列式加工虽然能提高加工速度，但技术还不够成熟，在加工质量方面尚且难以保证。还有，实验室中获得的高精度、高速度数据，在部署到实际生产线中后则远无法达到。

其次是如何保证高深宽比通孔的质量。电子封装领域对高密度集成、高频性能和材料兼容、成本控制等方面的严苛要求，使得TGV不断走向更高的深宽比。在实际工业量产中，当深宽比超过 50:1 时，孔形畸变（如腰部收缩）和重铸层残留等问题就会凸显出来。这些残留的缺陷会导致信号损耗，此外激光诱导的微裂纹也可能在后续封装中引发结构失效。因此，如何保证高深宽比TGV加工的一致性、对孔壁内的粗糙度与微裂纹进行严格控制，也是一个需要继续攻克的方向。

此外还有加工新型玻璃材料面临的挑战。硼硅玻璃等低介电损耗的新型玻璃，为激光加工带来了挑战。这种低介电损耗的玻璃虽然非常适合高频应用，但是在经过激光诱导后，改性区与非改性区的蚀刻速率差异较小，这无疑增加了工艺的复杂性。而对于高硬度的石英玻璃，则会需要显著高于加工普通玻璃的激光能量。

总之，目前TGV加工依然需要在同时兼顾高精度、高速度、高深宽比、高内壁光滑度、高垂直度、高良率、低成本等一系列严苛要求的道路上，继续精进跋涉。

尽管玻璃基板被视为半导体封装领域的颠覆性技术，但目前仍处于发展初期。要实现从小规模示范到大规模制造的平稳过渡，仍然需要整个产业链的协同发展，需要从材料-工艺-设备-系统全链条协同突破。

TGV加工作为该产业链中的一个关键环节，正在向着高深宽比与高精度并行、加工速度从“千孔/秒”向“万孔/秒”提升、不断适配新材料与新工艺等方向发展。如何更精准、更灵活地控制激光加工过程中光束的各项参数变化，是实现高质量TGV加工的重要保障。随着TGV加工技术瓶颈的逐步攻克，TGV 有望在 2025-2030 年成为先进封装的主流工艺，重塑电子制造的产业格局。

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