半導體產業將迎接基板材料的重大革新，隨著AI、高速運算(High Performance Computing, HPC)與電動車等應用日益蓬勃，產業對低損耗、高頻特性與成本效益的需求持續增加。以玻璃基板製作的玻璃通孔(Through-Glass Via, TGV)逐漸受到重視，並被視為高階封裝技術的新選項，更有機會在AI浪潮中，挑戰矽中介層(Silicon Interposer)的地位，成為下一代的明日之星。
根據業界報導，Intel、Samsung、南韓Hana Technology、日本電氣玻璃(Nippon Electric Glass, NEG)等多家半導體與材料大廠，已紛紛投入TGV的開發與試產，並針對AI晶片、高頻模組等應用設計新一代封裝架構。根據Verified Market Reports的研究，TGV技術市場規模預計將由2024年的12億美元提升至2033年的25億美元，2026至2033年預測年均複合成長率為9.5%，顯示其具備高度競爭價值與產業成長潛力。
TGV玻璃基板的發展現況
假設一個應用需要從12V電源獲得1V、30A的低電壓、大電流輸出，且效率為80%，則總損耗將達到7.5W。這些損耗會變成熱量，導致IC和電感的溫度上升。資料中心的環境溫度通常高於室溫，額外的損耗會使IC的溫度進一步升高，進而更接近IC的熱關斷限值(通常為150°C)。對於負載點(Point of Load, POL)電源應用，此類問題尤為關鍵，因為DC-DC轉換器往往非常靠近高發熱量的微處理器。
下文將說明幾種有助於提高低電壓、大電流元件效率的方法。
SW節點PCB布線要點
玻璃基板技術TGV是一種於玻璃基板上製作「金屬導電孔」(vias)的技術。簡而言之，就是在一片玻璃板上鑽孔，再將導電金屬如銅等填入孔內，讓電氣訊號得以從玻璃的一面傳輸到另一側，如同在玻璃上開設許多高速通道，讓晶片之間的電訊號可以快速且低損耗地傳輸(圖1)。
跟矽相比，TGV的關鍵優勢在於高頻傳輸、絕緣性佳，被視為下一世代2.5D、3D等先進封裝的重要技術之一，適用AI、5G、車用雷達等高速模組。然而，業界在導入TGV技術時，製程良率、封裝機械強度，以及材料熱失配等問題，皆是衝擊可靠度驗證，以及影響量產進度的重要因素。
本文將根據宜特與業界的實務經驗，分享如何透過一站式解決方案，以四個步驟找出產品失效的根本原因。最後也將分享一則實際案例，以便深入了解TGV技術的應用與潛在風險。
TGV發展面臨的主要挑戰
製造良率與成本問題
•玻璃鑽孔問題：目前雷射或化學蝕刻仍存在孔徑形狀不一、表面粗糙度高等問題，影響後續導電性與金屬填充均勻性。
•銅填充與擴散風險：填充不均導致孔洞電阻變異，銅擴散至玻璃內部則可能造成絕緣劣化與長期失效。
機械強度與熱應力風險
•玻璃基板脆性高：玻璃剛性高但脆性(Brittleness)大，在製程、封裝壓合、測試或使用過程中，易受裂紋影響而造成電氣異常。
•熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)差異大：銅與玻璃間CTE差異大，長期熱應力累積下，可能導致介面剝離(圖2)。
TGV失效解析四大步驟
本文將進一步分享宜特故障分析實驗室如何找出TGV玻璃基板的故障點。透過以下四大步驟，可快速找出潛在故障點並加以改善，適用於TGV初期導入、材料選型、量產前可靠度驗證等階段。
環境應力測試 誘發潛在異常
透過加速老化可靠度實驗，如高加速應力試驗(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test, HAST)與高溫保存試驗(High Temperature Storage, HTS)等，可評估TGV結構在高溫/高濕/高壓環境下的長期穩定性，藉此誘發出結構中可能存在的異常點。此方法可在短時間內模擬數年壽命，快速誘發銅擴散、玻璃介面剝離或導通異常等潛在問題。宜特可依客戶需求調整測試條件，並結合後段破壞分析，提高整體測試效能。
非破壞檢測 快速定位失效點
當有相關電氣漏電失效發生時，可利用亮點分析儀器，如熱輻射故障定位顯微鏡(Thermal Emission Microscopy, Thermal EMMI) 或光束誘導電阻異常偵測(Optical Beam Induced Resistance Change, OBIRCH)進行失效點定位；此外，採用高解析度X-Ray系統，進行2D平面觀察與3D斷層掃描，無需破壞樣品即可快速掌握TGV電性異常物性狀態或銅填孔的完整性。此技術可識別TGV內部填鍍常見的空洞(void)缺陷。也可利用高深寬比結構進行局部放大分析，作為後續精細切片的輔助依據。
精準切片分析 掌握失效機制
在失效定位後，可針對異常與試片特性從斷面研磨(X-Section)、離子束剖面研磨(Cross-section Polisher, CP)、電漿聚焦離子束顯微鏡(Plasma FIB, PFIB)分析等技術，為決定最佳製備方式進行精準剖面樣品製備。
材料結構分析 改善潛在風險
切片後可進一步搭配掃描式電子顯微鏡(SEM)或穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察穿孔介面狀態，並利用能量色散X射線光譜(EDS)或電子能量損失能譜(EELS)元素分析，以確認銅擴散路徑與濃度分布。在檢測玻璃內部的微量銅擴散時，此步驟極為重要，有助於建立完整失效機制模型。亦可搭配電子背向散射繞射(EBSD)技術，以分析晶粒大小/方向(Grain size/Orientation)、晶界(Grain Boundary)特性與殘留應力，以改善製程並提升可靠度和電氣特性。
TGV案例分享
在宜特的TGV異常分析經驗中，導致導通失敗的主因多為TGV製程中「玻璃穿孔」的穿孔品質不良與「金屬填孔」(多採用電鍍或化學填鍍)的銅填鍍不均。由於TGV基板上的微小通孔需完全且均勻填入銅材，才能確保穩定的導電路徑，任何玻璃孔蝕刻異常都可能導致導通中斷。若電鍍參數設定不當，可能產生孔內空隙、填充不飽滿或柱狀結構不連續等狀況，進而導致電氣特性異常與封裝失效。
圖3呈現的案例中，即可利用2D X-ray非破壞分析，進行異常點定位，再搭配精準切片，並以SEM觀察、分析後，得知導致部分TGV產生無法導通或高阻值異常的原因是銅填充空隙不均。此時針對鍍銅條件進行最佳化與調整填鍍時間，即可成功提升銅填孔飽和度與導電一致性，提升整體良率(圖4)。
由於矽中介層技術擁有製程成熟、散熱佳等優點，目前仍是多數應用的主力。然而，TGV玻璃基板亦擁有低電氣阻抗、高頻率傳輸與卓越的絕緣等強勢特性，將成為半導體產業在AI加速器、高階通訊及毫米波雷達等前瞻技術趨勢下的關鍵材料之一。隨著全球半導體大廠的積極投入，TGV玻璃基板有望成為先進封裝領域中極具戰略意義的「明日基板」技術。若能透過有效的故障分析手法，即可加速提升TGV玻璃基板可靠度與其製程良率，增加TGV及早期量產化的可能性。
(本文作者任職於宜特科技)
