玻璃通孔(TGV)刻蚀工艺怎么选?KOH还是HF?这篇论文说透了
- 更新时间 2026-10-30 10:30:03
先进封装中，玻璃通孔（TGV）正成为垂直互连的关键结构。但激光改性之后，用酸还是用碱来刻蚀？温度、浓度怎么配？通孔形貌如何控制？中兴通讯与深圳大学联合团队系统对比了KOH与HF两种刻蚀体系，给出了清晰的工艺窗口。
随着高性能计算、射频器件和异质集成技术向更高密度、更低损耗方向发展，垂直互连结构已成为先进封装的关键组成部分。相比硅通孔（TSV），玻璃通孔（TGV）凭借低介电损耗、优异绝缘性能和可调热膨胀系数，在玻璃转接板、射频封装、MEMS及面板级封装中展现出广阔前景。
然而，玻璃是典型的硬脆材料。传统机械钻削或直接激光烧蚀容易引入崩边、微裂纹、材料再沉积和较大锥度，严重影响后续种子层沉积与金属填充的可靠性。激光诱导深刻蚀（LIDE）因此成为制备TGV的主流技术路径：先用超短脉冲激光对玻璃内部进行改性，再用HF或KOH溶液实现高深径比通孔成形。
但问题在于：相同激光改性条件下，酸性与碱性刻蚀体系在反应动力学、孔径一致性、锥度控制和缺陷演化方面究竟有何差异？此前研究并不充分。中兴通讯股份有限公司毕文仲团队与深圳大学机电与控制工程学院半导体制造研究院赵泽佳团队合作，以贝塞尔飞秒激光改性的BF33硼硅酸盐玻璃为对象，系统对比了KOH与HF体系的成孔特性。
图1 LIDE法制备TGV的示意图
LIDE原理：激光改性+选择性刻蚀
激光诱导改质利用超快激光辐照透明介质，通过多光子电离与雪崩电离引发局部结构重构、缺陷生成和微纳空腔，显著提升材料在特定化学环境下的刻蚀选择性。传统高斯光束焦深短、横向能量分布不均，在厚玻璃中易因散射和等离子体屏蔽形成锥形或非对称改性区。贝塞尔光束则具备长焦深与轴向连续高强度分布，可在玻璃厚度方向形成均匀连续的改性通道，是当前TGV诱导改性的主流手段。
刻蚀阶段，改性区在化学液中的反应速率远高于未改性区。酸性体系以HF为代表，F⁻亲核攻击硅原子，破坏Si–O–Si网络，生成可溶性六氟硅酸；碱性体系以KOH为代表，OH⁻进攻Si–O–Si键，使其断裂解聚为硅酸根离子，同时溶出Na⁺等网络修饰离子。
实验设计：温度×浓度矩阵
实验选用0.7 mm厚肖特BF33硼硅酸盐玻璃，采用515 nm贝塞尔飞秒激光系统进行内部改性，每片加工30×30通孔阵列，孔间距0.2 mm。所有样品在37 kHz超声辅助下湿法刻蚀：碱性样品（1–9号）刻蚀32 h，酸性样品（10–12号）刻蚀30 min。刻蚀后随机选取150个通孔进行几何参数与缺陷统计。
KOH体系设置15%、20%、25%三个浓度，50℃、65℃、80℃三个温度；HF体系在50℃下设置2%、6%、10%三个浓度。
KOH体系：界面化学反应主导，80℃+20%为最优窗口
通过Arrhenius方程拟合，KOH体系表观活化能均高于40 kJ/mol：15%浓度下正/反面活化能为41.93/44.72 kJ/mol，20%为50.07/51.60 kJ/mol，25%为56.63/60.48 kJ/mol。根据经典刻蚀动力学理论，Ea>40 kJ/mol说明刻蚀过程主要受界面化学反应速率控制。活化能随浓度升高而增加，说明高浓度下硅酸盐产物在狭窄孔道内积累，形成局部扩散屏障，增加了OH⁻向玻璃网络内部迁移的阻力。
图2 KOH刻蚀速率与温度关系的Arrhenius曲线
温度是主导因素。三维响应曲面显示，正反面刻蚀速率均随温度升高显著上升，而随浓度增加先增大后趋于稳定甚至轻微下降。80℃、w(KOH)=20%条件下，正反面刻蚀速率达到峰值，分别为0.577 μm/h和0.639 μm/h。正面活化能略低于反面，归因于激光入射侧能量密度更高、微缺陷密度更大、网络断裂程度更深，化学活性更强。
图3 KOH刻蚀体系中正、反两面刻蚀速率随工艺参数变化的对比影响面图
HF体系：速率快两个数量级，但腰部收缩严重
相同50℃下，KOH刻蚀速率不超过0.4 μm/h，而低浓度HF即可达10 μm/h以上。HF体系表观反应级数n分别为1.107和1.058，均大于1，说明酸性体系对浓度高度敏感。2%、6%、10% HF在50℃下的刻蚀速率分别为10.849/11.196、37.589/37.802、59.478/60.522 μm/h（正/反面）。
图4 HF刻蚀体系中正、反两面的刻蚀速率随浓度变化图
但速度的代价是形貌。SEM截面观察显示，HF刻蚀样品存在明显的“腰部收缩”现象：孔口区域新鲜反应物充足，刻蚀速率高；随着深度增加，HF活性物种扩散路径变长，副产物排出受阻，孔中部刻蚀量小于孔口，宏观上形成腰部收缩。KOH体系速率低、反应温和，不易出现扩散限制导致的局部浓度耗尽，在控制通孔垂直度方面更具潜力。
图7 通孔截面图
孔径一致性与缺陷率：两种评价维度难以同时最优
研究引入相对圆度偏差Cv和阵列一致性误差δ。KOH体系中，随温度与浓度升高，平均孔径增大，相对偏差显著降低——孔径扩展拓宽了传质通道，缓解了小孔径下的局部刻蚀不均。80℃、w(KOH)=25%时圆度相对偏差达全局最小；80℃、w(KOH)=20%时阵列一致性误差最低，2号样品正反面绝对偏差仅0.36%。
图5 温度与KOH浓度对表面平均孔径与圆度相对偏差的耦合三维响应曲面图
但缺陷率呈现另一番图景。碱性样品缺陷率均高于酸性样品，主要缺陷包括崩边、大小孔和裂纹。原因在于KOH刻蚀长达32 h，通孔边缘作为几何突变区和应力集中区，在长时间超声振动下更易发生应力释放，导致微裂纹和崩边。三组HF样品正面缺陷率均为0%，展现出更优的边缘质量控制能力，这与其仅30 min的短刻蚀周期有关。
图6 主要缺陷类型
值得注意的是，80℃、w(KOH)=20%条件下阵列一致性最优，但缺陷率偏高（7.8%）。这说明一致性与缺陷率是两种不同的评价维度，单一条件往往难以同时达到最优。后续优化可从细化浓度梯度、调整超声频率或加入溶液搅拌等方向展开。
综合来看，KOH碱性刻蚀更适合高一致性、低维度TGV的精密加工，推荐工艺窗口为80℃、w(KOH)=20%–25%；HF酸性刻蚀则适用于对加工效率要求极高、可接受一定形貌偏差的场景。后续研究可探索复合刻蚀策略，兼顾效率与质量，推动TGV在玻璃转接板与异质集成中的产业化应用。
来源：本文基于以下论文进行整理，仅供参考
毕文仲，蔡梓渤，钟浩云，等. 先进封装玻璃基板通孔激光诱导刻蚀工艺研究[J]. 电子与封装，2027，27(6): 060209.
DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2027.0076.
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