TGV 玻璃基板真能取代矽基板？良率、應力與失效解析全揭密

本文轉載自宜特小學堂〈玻璃基板VS矽基板之戰？TGV產品失效真因怎麼找?〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

挑戰矽霸權？TGV（Through-Glass Via）玻璃基板技術因優異的高頻與低損耗特性，廣泛應用於5G、AIoT、車用雷達等領域，成為先進封裝的新選項。然而，業界在推動 TGV 技術導入時，卻頻繁遇到製程良率、封裝機械強度、以及材料熱失配 (CTE mismatch)等問題。該如何找出失效真因，提升良率呢？

半導體產業正迎來基板材料的重大革新！隨著 AI、高速運算（HPC）與電動車等應用日益蓬勃，因低損耗、高頻特性與成本優勢的需求，利用玻璃基板製作玻璃通孔（TGV, Through-Glass Via）在高階封裝技術發展中逐漸被重視，也成為這股 AI 變革浪潮中，有機會取代矽基板製作的矽中介層（Silicon Interposer）技術的明日之星。

根據業界報導，Intel、Samsung、Hana Technology、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，2026–2033 年預測年均複合成長率為 9.5%，顯示其具備高度競爭價值。

什麼是 TGV 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。簡單來說，就是在一片玻璃板上鑽孔，再把導電金屬（如銅）填入孔內，讓電氣訊號得以從玻璃的一面傳輸到另一側。像是在玻璃上開出許多高速通道，讓晶片之間的電訊號可以快速且低損耗地傳輸。 

跟「矽」這位老前輩相比，TGV 的關鍵優勢在於高頻傳輸、絕緣性佳，可視為下一世代 2.5D、3D 等先進封裝的重要技術之一，非常適合應用在 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，將是衝擊可靠度驗證結果與拖慢量產進度的重大瓶頸。

本篇宜特小學堂將根據宜特與業界的實務經驗，分享我們如何透過一站式解決方案，四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，讓您更深入了解 TGV 技術的應用與潛在風險。

一、目前 TGV 發展遇到的兩大逆風

• (一) 製造良率與成本挑戰
  • 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。

• (二) 機械強度與封裝應力
  • 玻璃基板脆性高：玻璃雖剛性高但脆性(Brittleness)大，在製程、封裝壓合、測試或使用過程中易受微裂紋影響而造成電氣異常。
  • 銅與玻璃間熱膨脹係數（CTE）差異大：長期熱應力累積易導致界面剝離。

二、時間就是金錢 四大解析步驟快速找出潛在異常點

接著，我們將不藏私地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，有效協助客戶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。

• 步驟一：創造環境，誘發潛在異常點現形
  • 透過加速老化可靠度實驗，如HAST（Highly Accelerated Stress Test）與 HTS（High Temperature Storage），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、玻璃界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（如85°C / 85%RH / 1000小時），並結合後段破壞分析，提高整體測試效能。

• 步驟二：非破壞檢測TGV缺陷所在區域，快速定位異常點
  • 當有相關電氣漏電失效發生時，可利用亮點分析儀器 (Thermal EMMI 或 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。我們也可針對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。

• 步驟三：異常點切片分析，了解實際失效現象
  • 在失效定位後，我們可針對異常與試片特性從 X-Section（斷面研磨）、CP（Cross-section Polisher）、Plasma FIB各切片技術進行選擇最佳製備方式進行精準剖面樣品製備（閱讀更多: IC切片手法有四種哪一種CP值最高，最適合你的樣品？)。

• 步驟四：微觀材料結構分析，有效改善潛在風險
  • 切片後可進一步搭配 SEM 或 TEM 觀察穿孔界面狀態，並利用 EDS / EELS 元素分析確認銅擴散路徑與濃度分布，尤其在檢測玻璃內部的微量銅擴散時，此步驟至關重要，有助於建立完整失效機制模型。亦可搭配 EBSD 分析晶粒大小/方向(Grain size/ orientation)、晶界(Grain boundary)特性與殘留應力，有助改善製程與提升可靠度和電氣特性 (閱讀更多: 揭密 TGV 製程中的隱形殺手：EBSD 如何破解應力難題)。

三、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，才能確保穩定導電路徑，任何玻璃孔蝕刻異常都可能導致導通中斷。同時，若電鍍參數設定不當，易產生孔內空隙、填充不飽滿或柱狀結構不連續等缺陷，進而造成電氣特性異常與封裝失效。

在這個案例中，我們可利用 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 觀察發現銅填充空隙不均，導致部分 TGV 產生無法導通或高阻值異常。經分析後，針對鍍銅條件進行優化與調整填鍍時間，最終成功協助客戶提升銅填孔飽和度與導電一致性，得以提升整體良率。

儘管矽中介層技術因「製程成熟」與「散熱佳」，仍是目前應用的主力。然而，TGV 玻璃基板低電氣阻抗、高頻率傳輸與卓越的絕緣特性，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加速協助提升 TGV 玻璃基板可靠度與其製程良率，將可大大增加 TGV 及早量產化的可能性。若您喜歡這類產業解讀內容，歡迎追蹤宜特科技臉書，掌握第一手科技新知！