玻璃具有優(yōu)異的性能，例如高幾何公差、出色的耐熱和耐化學(xué)性、優(yōu)異的高頻電性能以及密封性，已成為各種傳感器和 MEMS 封裝應(yīng)用（包括機(jī)電、熱、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和射頻設(shè)備）的高度通用基板。在這些應(yīng)用中，玻璃通孔 （TGV） 技術(shù)通過(guò)玻璃基板建立電互連，在制造和封裝中起著至關(guān)重要的作用。

TGV在傳感器應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

隨著5G、智能汽車(chē)、醫(yī)療等行業(yè)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越向便攜、便捷的方向發(fā)展，為提高性能和可靠性、降低成本，傳感器的制造、集成和封裝研究取得了諸多進(jìn)展。MEMS傳感器的封裝成本約占整機(jī)成本的30%，而封裝的密封性和互連性對(duì)器件性能有重要影響，進(jìn)而影響傳感器的生產(chǎn)和應(yīng)用。晶圓級(jí)封裝具有制造效率高、器件性能優(yōu)異等特點(diǎn)，相較于器件級(jí)封裝具有減小體積、節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)。

玻璃通孔（TGV）是通過(guò)玻璃基板實(shí)現(xiàn)的垂直電互連，與 TSV 相對(duì)應(yīng)。玻璃基板具有比普通硅和 SOI 基板更優(yōu)異的電性能和更低的寄生電容，有利于擴(kuò)展高頻信號(hào)的傳輸。玻璃優(yōu)異的光學(xué)性能使其更適合于微光機(jī)電系統(tǒng) （MOEMS） 等光學(xué)應(yīng)用。調(diào)整玻璃成分和優(yōu)化表面處理可以改變基板的熱膨脹系數(shù) （CTE） 和機(jī)械強(qiáng)度，從而提高金屬粘附性、應(yīng)力控制和可靠性。

TGV 技術(shù)支持多種厚度（50 μm 至 900 μm）和大晶圓尺寸（6″ 至12 ″）和面板（510 × 515 mm 至 1500 × 800 mm）。基于玻璃的工藝更加簡(jiǎn)單，無(wú)需在 TGV 內(nèi)壁沉積絕緣層，使玻璃封裝基板的制造成本遠(yuǎn)低于硅基板。玻璃可以使用陽(yáng)極鍵合和直接鍵合等技術(shù)鍵合到基板上，包括硅和其他玻璃。這些方法創(chuàng)造了一個(gè)穩(wěn)定的真空環(huán)境，適用于加速度計(jì)和陀螺儀等慣性傳感器。TGV工藝可制造和金屬化高密度、高縱橫比的玻璃通孔，從而能夠在保持高性能電氣互連的同時(shí)減小設(shè)備尺寸。英特爾表示，玻璃基板技術(shù)可以將單個(gè)封裝中的芯片面積增加 50%，從而可以塞入更多的芯片。與 ABF 塑料相比，它將厚度減少了約一半，從而提供更高的信號(hào)速度和功率效率。

TGV在傳感器制造和封裝中的應(yīng)用

封裝起到隔離敏感易碎的內(nèi)外環(huán)境、保護(hù)內(nèi)部空間、方便信號(hào)傳輸?shù)淖饔谩７庋b工藝對(duì)傳感器，特別是MEMS傳感器至關(guān)重要。晶圓鍵合技術(shù)和垂直互連技術(shù)是晶圓級(jí)封裝技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)更小的器件尺寸、更低的制造成本和更低的功耗具有重要價(jià)值。玻璃因具有高機(jī)械穩(wěn)定性、高密封性、高透明度和低熱導(dǎo)率等獨(dú)特性能，被廣泛應(yīng)用于傳感器封裝。在傳感器封裝中，它可以作為蓋帽襯底，通過(guò)陽(yáng)極鍵合、直接鍵合或金屬鍵合與硅、SOI、玻璃或其他襯底建立高度真空密封的環(huán)境。此外，TGV技術(shù)的發(fā)展（主要包括過(guò)孔形成和金屬化）使得玻璃襯底因其優(yōu)越的性能優(yōu)勢(shì)在傳感器封裝中更受青睞。如圖1所示，根據(jù)玻璃的性能，詳細(xì)介紹了TGV工藝在不同類(lèi)型傳感器中的應(yīng)用和性能。

圖1 基于TGV技術(shù)的傳感器玻璃的參數(shù)

1. 運(yùn)動(dòng)傳感器

運(yùn)動(dòng)傳感器通常用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和加速度測(cè)量。芯片需要足夠的抗沖擊性來(lái)保護(hù)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)。玻璃具有很強(qiáng)的機(jī)械性能，可以提高傳感器的抗沖擊性。TGV技術(shù)在運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用方面具有巨大的潛力。

Ma等采用玻璃轉(zhuǎn)接板作為頂蓋解決了TSV技術(shù)的應(yīng)力問(wèn)題，構(gòu)建了一種基于體硅工藝的MEMS慣性傳感器對(duì)稱夾層結(jié)構(gòu)。在400 μm厚的玻璃基板上采用噴粉技術(shù)形成盲孔，通過(guò)背面研磨拋光形成TGV，采用濺射技術(shù)沉積Al以提供TGV內(nèi)的電氣互連。利用光刻技術(shù)在轉(zhuǎn)接板兩側(cè)形成重分布層。以BCB為黏著層將轉(zhuǎn)接板黏合到MEMS加速度計(jì)晶圓上，實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的晶圓級(jí)封裝。

Zhang等利用玻璃回流工藝制作以低阻硅為導(dǎo)電柱的玻璃蓋，并通過(guò)陽(yáng)極鍵合完成電容式陀螺儀的密封封裝，測(cè)試器件的品質(zhì)因數(shù)超過(guò)220 000，比未封裝陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；玻璃蓋的工藝流程如圖2a所示。Kuang等對(duì)玻璃回流的工藝機(jī)理進(jìn)行了初步研究，并利用該方法成功封裝了陀螺儀，證明了采用TGV技術(shù)結(jié)合三陽(yáng)極鍵合進(jìn)行晶圓級(jí)真空封裝的可行性。

圖2 （ a ） 用于與電容式陀螺儀粘合的玻璃蓋的制造和封裝過(guò)程；（ b ） 諧振式壓力傳感器

2. 壓力傳感器

壓力傳感器可分為電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器或諧振式壓力傳感器，可用于航空航天檢查和大氣壓力傳感。這些傳感器通常是真空密封的，例如微諧振器，由于空氣阻尼效應(yīng)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)會(huì)隨著環(huán)境壓力的增加而惡化。TGV 工藝在電容式壓力傳感器等應(yīng)用方面的潛力已經(jīng)得到證實(shí)。

Haque 等使用玻璃回流法生產(chǎn)了電容式壓力傳感器。晶圓在管式爐內(nèi)加熱，凹槽中填充熔融的玻璃以形成硅導(dǎo)電通孔。該工藝完成了傳感器的密封并提供了電引入，無(wú)需在正面安裝鍵合線。

Kim 等利用玻璃回流技術(shù)制作用于電氣互連的硅玻璃結(jié)構(gòu)晶片，證明玻璃具有良好的電氣隔離作用并能最大限度地減少寄生電容。Zhenyu 等利用激光鉆孔在 Pyrex 7740 玻璃上制作玻璃蓋。諧振式壓力傳感器是通過(guò)將玻璃蓋與 SOI 晶片上的 TGV 組合而成的。帶有 TGV 的玻璃蓋實(shí)現(xiàn)了真空密封和電引出，如圖2b所示。制成的微壓力傳感器經(jīng)驗(yàn)證 Q 因子大于 22 000 且穩(wěn)定運(yùn)行 5 個(gè)月，證實(shí)了真空封裝和電氣連接的可靠性。

3. 聲學(xué)傳感器

外界環(huán)境（如溫度、壓力、濕度等）的變化會(huì)影響傳感器材料的特性，從而影響聲波的傳播特性（主要是聲速），利用這一原理，可以通過(guò)檢測(cè)聲速的變化來(lái)判斷外界環(huán)境的變化。

Chen 等設(shè)計(jì)了一種新型三維晶圓級(jí)封裝 （3-D WLP） 解決方案，以提高大腔體表面聲波 （SAW） 濾波器封裝的性能和可靠性。使用 TGV 實(shí)現(xiàn)玻璃封蓋和垂直互連，可避免排氣問(wèn)題并防止叉指換能器 （IDT） 受到污染。

TGV 技術(shù)在聲學(xué)傳感器中的應(yīng)用仍然相對(duì)有限，主要集中在 CMUT 上。超聲波換能器在醫(yī)療和水下勘探領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。電容式微機(jī)械超聲波換能器 （CMUT） 為利用典型的集成電路制造工藝生產(chǎn)二維超聲波換能器陣列提供了一種壓電技術(shù)的替代方案。CMUT 陣列可通過(guò)倒裝芯片鍵合和 TSV 加工與前端 IC 集成。TSV 加工是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，具有高寄生電容和粗糙度，這會(huì)導(dǎo)致額外的應(yīng)力并降低 CMUT 性能。因此，TGV 技術(shù)是一種很有前途的替代方案。

Zhang 等開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)在硼硅酸鹽玻璃基板上進(jìn)行陽(yáng)極鍵合來(lái)創(chuàng)建真空密封 CMUT 的程序。然后使用 TGV 互連擴(kuò)展了該工藝。采用激光燒蝕在 700 μm 厚的硼硅酸鹽玻璃上生成通孔，入口直徑為 70 μm，出口直徑為 50 μm。使用銅漿填充通孔，然后燒結(jié)和拋光以形成 TGV。CMUT 陣列制造已完成，并進(jìn)行了性能測(cè)試以展示設(shè)備的基本功能，盡管它們不是真空密封的。Zhang 等報(bào)道了一種使用陽(yáng)極鍵合在硼硅酸鹽玻璃基板上制造真空密封 CMUT 的工藝，并完成了如圖3所示的制造工藝。證明了一種使用犧牲蝕刻的制造工藝可以克服使用與陽(yáng)極鍵合兼容的玻璃基板的限制。

圖3 基于TGV技術(shù)的聲學(xué)傳感器的制造和封裝過(guò)程：（a）SAW濾波器；（b）CMUT

4. 光學(xué)傳感器

采用晶圓級(jí)封裝方法的光學(xué)元件和系統(tǒng)目前還比較有限。玻璃具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，特別適合封裝光學(xué)傳感器。Brusberg 等利用激光鉆孔工藝在 D263T 玻璃中制作 TGV 用于 3D 互連，并集成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x （MZI） 波導(dǎo)、流體通道、光電元件和硅芯片形成光學(xué)傳感器。

Stenchly 等介紹了一種適用于光學(xué)元件和系統(tǒng)的模塊化封裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 TGV 中介層和玻璃蓋板，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的工藝在玻璃蓋板上制作光學(xué)窗口，通過(guò)高溫烘烤過(guò)程中的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傾斜，從而實(shí)現(xiàn)傾斜。TGV 轉(zhuǎn)接板可通過(guò)玻璃回流等技術(shù)集成到玻璃轉(zhuǎn)接板體內(nèi)，以低電阻硅或銅作為互連材料。透過(guò)玻璃蓋板與轉(zhuǎn)接板的黏合，即可封裝光學(xué)傳感器或雷射二極管，此模塊化設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)潛力，可應(yīng)用在各種應(yīng)用領(lǐng)域。

5. 熱電傳感器

玻璃因具有可調(diào)的熱導(dǎo)率，在熱電傳感器的應(yīng)用方面?zhèn)涫荜P(guān)注。熱電傳感器可將溫度變化轉(zhuǎn)換為電變化，可用于制作熱電發(fā)電機(jī)和風(fēng)速傳感器，在便攜式電子設(shè)備、無(wú)線傳感器和醫(yī)療設(shè)備中有著巨大的應(yīng)用前景。玻璃具有低熱導(dǎo)率，與高深寬比TGV結(jié)合，可以有效增加微熱電偶熱端和冷端之間的溫差，提高熱電轉(zhuǎn)換能力。

劉等利用 200μm 厚的玻璃基板制作了基于Bi?Te?和Sb?Te?的微熱電發(fā)電機(jī)。通過(guò)激光燒蝕形成通孔，并在器件兩端的通孔中沉積Bi?Te?和Sb?Te?。200μm 厚的玻璃能夠產(chǎn)生138K的溫差，從而提供40.89mV的輸出電壓和19.72μW的輸出功率。

與光刻膠掩模版相比，在玻璃基板上制作的熱傳感器具有技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)，可以更靈活地控制器件的輸出電壓和功率。風(fēng)傳感器常用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、能量收集等領(lǐng)域，通過(guò)傳感器檢測(cè)風(fēng)引起的細(xì)微溫度變化可以估算出風(fēng)力。微型熱風(fēng)傳感器初始靈敏度高、加工成本低，但依靠加熱進(jìn)行測(cè)量，能耗較高。玻璃是一種低熱導(dǎo)率材料，可以有效減少熱量損失。依靠TGV技術(shù)，無(wú)需外部接線即可實(shí)現(xiàn)電氣連接，滿足可靠性和高性能的要求。Zhu等提出了一種熱風(fēng)傳感器封裝方案，采用玻璃回流技術(shù)實(shí)現(xiàn)。利用玻璃基板和TGV的性能優(yōu)勢(shì)，傳感器的總加熱功耗僅為14.5mW。

結(jié)論

玻璃基板，例如BF33和D263T硼硅酸鹽玻璃，主要用于傳感器封裝的密封和互連。這些基板具有優(yōu)異的鍵合性能，可使用TGV技術(shù)進(jìn)行互連。光電和熱電傳感器可以利用玻璃基板的高透明度和低熱導(dǎo)率來(lái)提高器件性能，而運(yùn)動(dòng)和壓力傳感器可以利用基板的機(jī)械性能和密封能力來(lái)提高器件的可靠性。玻璃優(yōu)異的介電性能和損耗性能可以顯著降低傳輸損耗，從而擴(kuò)大傳感器在高頻和高速領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

但目前傳感器封裝通常不需要高互連密度或高縱橫比互連，高頻低損耗傳輸應(yīng)用很少。因此，可以使用機(jī)械鉆孔和化學(xué)加工來(lái)加工通孔，并通過(guò)漿料填充、蒸發(fā)鍍或保形電鍍實(shí)現(xiàn)電互連。鍵合和密封性能顯著影響器件的可靠性和效率。因此，許多 MEMS 傳感器采用玻璃回流技術(shù)來(lái)滿足垂直互連和粘合的需求，從而無(wú)需額外的電鍍和金屬化工藝。