基于过渡金属层的玻璃通孔填充方法及玻璃基板与流程

本发明涉及玻璃转接板，尤其是基于过渡金属层的玻璃通孔填充方法及玻璃基板。

背景技术：

1、随着三维系统级封装、射频前端器件及mems传感器等技术的快速发展，玻璃通孔（through glass via, tgv）技术凭借玻璃材料优异的高频低损耗特性、与硅匹配的热膨胀系数及低成本优势，已成为玻璃转接板垂直互连的核心技术方案，其金属化填充质量直接决定了封装器件的电学性能与长期可靠性。

2、当前tgv金属化工艺普遍采用“孔壁活化-物理气相沉积（pvd）溅射多层金属-电镀铜填充”的技术路线：首先对玻璃通孔进行清洗及等离子体活化处理，随后通过pvd工艺在通孔内壁依次沉积ti、cr等粘附层与cu导电种子层，最终以种子层为导电通路进行电镀铜填充，实现玻璃基板正反面的电气互连。

3、然而该工艺存在天然的界面结合缺陷：玻璃属于绝缘、惰性且无自由电子的材料，其与金属铜的热膨胀系数差异显著（玻璃热膨胀系数为3~8ppm/℃，金属铜热膨胀系数约为16.7ppm/℃）。在电镀退火、后续回流焊等温度循环过程中，二者热失配会在玻璃-金属界面累积较大的剪切应力与径向应力，极易导致铜柱与孔壁发生分层、基板翘曲甚至铜柱断裂，严重降低封装结构的长期可靠性。

4、针对深宽比≥10:1的高难度通孔，上述工艺还存在种子层覆盖不均的问题：pvd溅射粒子呈直线传播特性，通孔孔底及侧壁下部的种子层厚度仅为表面厚度的1/3甚至不连续，造成电镀过程中孔底导电通路薄弱甚至无导通，易引发局部填充不足、断路等缺陷。为解决该覆盖性问题，业内尝试采用原子层沉积（ald）工艺制备种子层，虽可改善孔壁覆盖均匀性，但ald设备昂贵、沉积速率慢、产能极低，难以满足规模化量产的成本与效率要求。若通过增厚整体种子层或提高pvd偏压功率弥补覆盖缺陷，又会导致基板表面粗糙度增大、金属层润湿性变差，反而加剧电镀过程中的孔内空洞形成，进一步降低产品良率。

5、因此，如何设计能够满足兼顾通孔填充质量与导电连通性的玻璃通孔填充方法是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为解决现有玻璃通孔金属化工艺存在可靠性差且覆盖不均的缺陷，激光开孔技术的缺陷，本发明提出基于过渡金属层的玻璃通孔填充方法及玻璃基板，在通孔内壁制备过渡金属层以衔接玻璃基体与后续填充金属，有效缓解热失配引发的界面分层风险、保障高深宽比通孔导电通路连续性，同时适配规模化量产需求，显著降低工艺成本与设备投入。

2、本发明采用的技术方案是，设计基于过渡金属层的玻璃通孔填充方法，包括以下步骤：

3、提供具有通孔的玻璃基板；

4、对通孔进行清洗及孔壁活化处理；

5、在通孔的内壁制备过渡金属层；

6、对通孔进行电镀填孔；

7、对玻璃基板进行平坦化处理。

8、此设计通过在玻璃基体与填充金属之间设置过渡金属层，利用该过渡层衔接两类性质差异较大的材料，有助于缓解后续温度循环过程中产生的热失配应力，降低界面分层风险。相较于直接在玻璃表面制备导电层，该过渡层为后续电镀填充提供了更可靠的附着基础，有助于提升通孔填充结构的整体结合强度与长期可靠性。

9、在本发明的一些实施例中，在通孔的内壁制备过渡金属层，包括：

10、在40~50℃的液相环境下反应2~3小时，以在通孔内壁形成过渡金属层；

11、随后浸入含有钯催化剂的溶液中进行活化处理，室温下浸泡3~5min。

12、此设计采用液相沉积（lpd）方式制备过渡金属层，利用化学反应在孔壁原位生成薄膜，能够有效改善高深宽比通孔内部的覆盖均匀性，减轻物理气相沉积存在的“阴影效应”。通过钯催化剂溶液进行活化处理，有助于在过渡金属层表面引入催化活性位点，为后续闪镀步骤提供必要的导电触发条件，确保金属沉积的起始均匀性。

13、在此基础上，在过渡金属层制备完成后，先对过渡金属层表面进行闪镀，再采用搭桥电镀与填孔电镀相结合的工艺对通孔进行电镀填孔。

14、此设计通过闪镀步骤能够在过渡金属层表面快速形成一层致密且连续的初始导电层，弥补液相沉积层可能存在的导电性不足，确保后续电镀的电流分布均匀。采用搭桥电镀先行沉积，有助于在通孔底部建立稳定的导电网络，抑制孔口处的过快沉积；随后进行的填孔电镀则利用已建立的导电通路快速填充剩余空间，两者配合有助于实现通孔的无空洞填充。

15、进一步的，闪镀为水平闪镀，采用直流电源，电流密度为1~2a/dm²，电镀时长为10~15min；

16、搭桥电镀阶段的工艺参数为：采用脉冲电源，正向电流密度为0.1~0.3a/dm²，正向通电时间与反向通电时间的比值为1:3~1:5，电镀时长为3~4h；

17、填孔电镀阶段的工艺参数为：采用直流电源，电流密度为1~2a/dm²，电镀时长为70~90min。

18、水平闪镀方式有助于避免竖直放置时因重力导致的镀层厚度不均，提升基板表面及孔口附近的镀层一致性。搭桥电镀阶段采用脉冲电源并设定特定的正反向时间比，正向电流有助于金属在底部沉积，反向电流则有助于溶解孔口处过多的镀层，从而进一步抑制“封顶效应”，引导金属由下至上生长。填孔电镀阶段切换至直流大电流模式，有助于提高填充效率，缩短工艺周期。

19、在本发明的一些实施例中，在通孔的内壁制备过渡金属层，包括：

20、在玻璃基板背离通孔开口的一侧键合辅助基板；

21、采用超临界二氧化碳辅助化学镀工艺对通孔进行填充，将有机金属化合物溶解于超临界二氧化碳中，形成过渡金属层。

22、此设计通过在玻璃基板背面键合辅助基板，为化学镀及后续电镀过程提供了稳定的支撑与导电回路，有助于减小薄玻璃基板的翘曲变形。利用超临界二氧化碳流体优异的渗透性和传质能力，能够将有机金属化合物输送至高深宽比通孔的各个角落，实现孔内壁均匀的化学镀沉积，从而形成连续且致密的过渡金属层，特别适用于深孔结构的金属化。

23、在此基础上，对通孔进行电镀填充，包括：

24、采用直流电镀工艺对通孔进行电镀填孔；

25、填孔完成后，去除辅助基板。

26、此设计在化学镀形成过渡金属层的基础上，采用直流电镀进行填孔，工艺成熟稳定，沉积速率可控，有助于快速完成通孔的金属化填充。

27、进一步的，直流填孔电镀的电流密度为1~2a/dm²，电镀时长为70~90min。

28、适当的电流密度有助于维持铜离子的稳定沉积，避免因电流过大导致烧焦或因电流过小导致效率低下；配合特定的时长，能够确保通孔被金属铜完全填充，兼顾了填充质量与生产效率。

29、进一步的，孔壁活化处理为等离子体处理，工艺参数为：采用箱体式等离子体设备，真空度为0.5~0.9pa，通入氩氧混合气，功率为1~3kw，处理时间为1~3min。

30、此设计采用特定参数的等离子体处理，能够有效去除通孔内壁的有机沾污与弱边界层，并通过高能粒子轰击在玻璃表面引入活性官能团（如羟基）。这显著改善了玻璃表面的亲水性，增强了后续过渡金属层与玻璃基体之间的物理嵌合与化学键合能力，为提升界面结合力奠定了基础。

31、进一步的，通孔的直径为20~50μm，深宽比≥10:1。

32、此设计明确了本发明适用的特定技术场景。针对直径较小且深宽比较大的通孔，传统的物理气相沉积与单纯电镀工艺面临较大的覆盖与填充挑战，本方法通过过渡金属层的引入及相应的工艺组合，能够有效应对此类高深宽比结构的填充需求，拓展了工艺的应用范围。

33、进一步的，过渡金属层的厚度为300~500nm。

34、该厚度范围兼顾了界面结合性能与工艺成本。过薄的过渡层可能无法有效阻隔热失配应力或提供连续的导电通路，而过厚的过渡层则可能增加工艺复杂度与成本，甚至影响通孔的有效孔径。300~500nm的厚度能够在保证足够结合力与导电性的前提下，维持较好的工艺经济性与结构适配性。

35、本发明还提出了玻璃基板，包括：

36、玻璃基板本体，该玻璃基板本体上开设有通孔；

37、过渡金属层，设置于通孔的孔壁表面，过渡金属层与通孔的孔壁紧密贴合；

38、金属填充层，设置于通孔内且位于过渡金属层的内周侧，金属填充层与过渡金属层的内周面结合；

39、其中，过渡金属层和金属填充层填满通孔的内部空间。

40、该玻璃基板通孔内的金属填充层与孔壁之间介由过渡金属层连接，界面结合紧密，抗热冲击性能较好。同时，通孔内部填充致密，导电连通性优良，能够满足高性能三维封装对玻璃转接板电学性能与可靠性的要求，适用于5g通信、mems传感器等精密器件的制造。

41、在一些实施例中，金属填充层由闪镀铜层和位于闪镀铜层内周侧的电镀铜层构成，闪镀铜层覆盖过渡金属层的内周面。

42、在另一些实施例中，金属填充层为单一的电镀铜层。

43、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

44、1、通过在玻璃通孔内壁设置过渡金属层，在玻璃基体与后续填充金属之间形成界面缓冲结构，缓解了二者热膨胀系数差异带来的热失配应力，降低了温度循环工况下孔壁与填充金属的分层、开裂风险，提升了玻璃转接板的长期服役可靠性；同时过渡金属层为后续电镀填充提供了均匀的附着基底，解决了高深宽比通孔内种子层覆盖不均导致的填充断路问题，尤其适配深宽比≥10:1的高难度通孔填充需求；

45、2、采用液相沉积工艺制备过渡金属层，利用化学反应在孔壁原位生长薄膜，有效改善了高深宽比通孔内壁的薄膜覆盖均匀性，避免了物理气相沉积工艺的“阴影效应”导致的孔底、侧壁下部薄膜不连续问题；同时液相沉积工艺无需高真空环境，设备投入与运维成本远低于原子层沉积工艺，适配规模化量产需求；

46、3、采用超临界二氧化碳辅助化学镀工艺制备过渡金属层，利用超临界流体优异的渗透性与传质能力，将有机金属化合物输送至通孔各个区域，实现了深孔内壁的均匀镀覆，进一步保障了高深宽比通孔的导电通路连续性；该工艺无需复杂的真空溅射设备，且镀覆后处理流程简便，大幅降低了工艺复杂度与设备投入。