本技術屬于先進三維封裝涉及玻璃轉接板和微納增材制造，特別是涉及一種用于芯片3d封裝的玻璃轉接板快速低成本制造方法。

背景技術：

1、芯片是推動信息社會蓬勃發展的基石，掌握高端芯片的制造技術關乎國家未來在人工智能、高性能計算、5g/6g通信和萬物互聯等關鍵領域的全球競爭力。由于集成電路的納米制程工藝逐漸逼近物理極限，通過芯片三維異質集成來延續和拓展摩爾定律的重要性日趨凸顯。異質集成技術開發與整合的關鍵在于融合實現多尺度、多維度的芯片互連，從而提高帶寬和電源效率并減小延遲，為高性能計算、人工智能和智慧終端等提供更小尺寸和更高性能的芯片。芯片的垂直方向互連依賴硅通孔(tsv)或玻璃通孔(tgv)等技術，水平方向上通過再布線層(rdl)技術進行互連。

2、硅基轉接板2.5d集成技術作為先進系統集成技術，近年來得到了迅猛的發展。但硅基轉接板存在兩個主要問題：1)成本高，硅通孔(tsv)制作采用硅刻蝕工藝，隨后硅通孔需要氧化絕緣層、薄晶圓的拿持等技術；2)電學性能差，硅材料屬于半導體材料，傳輸線在傳輸信號時，信號與襯底材料有較強的電磁耦合效應，襯底中產生渦流現象，造成信號完整性較差(插損、串擾等)。作為一種可能替代硅基轉接板的材料，玻璃通孔(tgv)轉接板因其眾多優勢正在成為國內外半導體企業和科研院所的研究熱點。

3、與硅基轉接板相比，玻璃轉接板的優勢主要體現在以下幾個方面。1)低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃轉接板的制作成本大約只有硅基轉接板的1/8；2)優良的高頻電學特性：玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2～3個數量級，使得襯底損耗和寄生效應大大減小，可以有效提高傳輸信號的完整性；3)大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取；4)工藝流程簡單：不需要在襯底表面及tgv內壁沉積絕緣層，且超薄轉接板不需要二次減薄；5)機械穩定性強：當轉接板厚度小于100μm時，翹曲依然較小；6)應用領域廣泛：除了在高頻領域有良好應用前景之外，透明、氣密性好、耐腐蝕等性能優點使玻璃通孔在光電系統集成領域、mems封裝領域有巨大的應用前景。

4、玻璃微孔金屬化是玻璃轉接板制造最重要的工藝步驟之一，它最主要通過金屬化填充來實現，目前主要實現方法包括化學氣相沉積(cvd)、物理氣相沉積(pvd)、化學鍍(electroless?plating)、電鍍(electroplating)四種方法，電鍍銅是目前應用最廣泛的技術(尤其是在工業界)。但以上方法均存在某些不足和局限性，諸如設備昂貴、生產成本高、效率低、工序流程繁多復雜等問題且均難以實現無缺陷高質量的玻璃通孔金屬填充。

5、為實現高精度、高密度的玻璃轉接板表面導電圖案低成本快速制造，目前的制造工藝仍有明顯不足。例如，采用激光燒蝕技術能夠實現高密度電路制作，但效率低、生產設備昂貴、生產成本高，難以實現規模化生產；采用濕法刻蝕技術或電鍍技術都有工序流程復雜，產生大量廢液與廢料等問題；絲網印刷由于其精度過低，難以實現高密度電路制造等等。

6、現有的各種技術，不但還都難以滿足玻璃轉接板無缺陷高深寬比玻璃通孔金屬化；金屬化玻璃通孔與表面導電圖案的有效可靠連接且連接點大小形狀可控；表面導電圖案高精度、高密度、優良抗沖擊性、穩定性和可靠性等要求；尤其是，現有技術實現玻璃轉接板表面導電圖案制造和tgv金屬化，需要多達幾十個工序，涉及幾十臺設備才能完成，導致生產周期長，生產成本高，使用的設備昂貴。故而現有的技術和解決方案，完全不能滿足玻璃轉接板產品研發階段(僅僅是設計驗證，需要制造的樣件少；設計方案不斷變化等)的實際需求，亟待開發高效、低成本制造玻璃轉接板金屬化tgv與表面導電圖案的新技術和新方案，尤其是能夠實現玻璃轉接板金屬化tgv與表面導電圖案集成(一體化)制造的新方法和新裝備。

7、本背景技術所公開的上述信息僅僅用于增加對本技術背景技術的理解，因此，其可能包括不構成本領域普通技術人員已知的現有技術。

技術實現思路

1、為了實現玻璃轉接板金屬化tgv與表面導電圖案一體化制造的生產周期短，低生產成本，短工序流程；高生產柔性(適應不同導電圖案、不同孔形、孔徑、不同深寬比孔的制造)；金屬化tgv與表面導電圖案可靠連接且連接點大小形狀可控，綠色環保生產，本技術公開了一種基于電場驅動噴射微納3d打印用于芯片3d封裝的玻璃轉接板快速低成本制造方法。采用單平板電極電場驅動多噴頭噴射沉積微納3d打印技術，按照優化的打印工藝參數，設定的打印路徑，進行高深寬比玻璃通孔高效無缺陷金屬化和玻璃轉接板表面導電圖案的快速打印。

2、本技術提出的用于芯片3d封裝的玻璃轉接板快速低成本制造方法，使用單臺電場驅動噴射微納3d打印設備就能實現玻璃轉接板雙面導電圖案(xy平面內高密度重布線的打印，實現芯片水平方向互連)和金屬化tgv(層間垂直互聯玻璃通孔金屬化，實現芯片垂直方向互連)集成制造。

3、此外，本技術采用陣列多噴頭，能實現多個微孔并行高效填充與多個玻璃轉接板表面導電圖案的高效打印。

4、在本技術的一些實施例中，提供一種用于芯片3d封裝的玻璃轉接板快速低成本制造方法，包括以下步驟：

5、步驟1：玻璃板預處理；

6、步驟2：微孔成形，采用tgv成孔技術，按照設計要求，對預處理后的玻璃板進行打孔，打孔完成后，再對玻璃板進行清洗烘干；

7、步驟3：微孔3d打印金屬填充，具體為：(1)將打孔后的玻璃板放置到夾具上，并予以夾緊固定；(2)將夾具放置到單平板電極電場驅動多噴頭噴射沉積微納3d打印設備的工作臺上；(3)利用微納3d打印設備的ccd機器視覺定位模塊，將打印噴頭移動到玻璃板的標記點；(4)打印成形室抽真空；(5)按照設定的打印工藝參數、打印模式和打印路徑，從微孔底部開始，連續噴射沉積填充金屬材料，實現微孔無缺陷完全填充；(6)完成第一個或第一組微孔填充后，重復(5)的操作，按照預先設計的打印路徑，完成所有微孔的打印；(7)打印噴頭返回初始打印位置，打印成形室破除真空環境；

8、步驟4：填充金屬導電化，將完成微孔金屬填充后的玻璃板至于真空燒結爐中，設定燒結時間、溫度和燒結曲線進行燒結處理；開展填充效果評估，若填充效果滿足要求，則完成玻璃板通孔填充；若不滿足，則重復步驟3、步驟4對已填充微孔進行二次或多次填充，最終實現預期填充效果；

9、步驟5：玻璃轉接板表面導電圖案打印，具體為：(1)將填孔后的玻璃板放置到夾具上，并予以夾緊固定；(2)將夾具放置到單平板電極電場驅動多噴頭噴射沉積微納3d打印設備的工作臺上；(3)利用微納3d打印設備的ccd機器視覺定位模塊，將打印噴頭移動到玻璃板的標記點；(4)打印成形室抽真空，對整個打印成形室執行抽真空處理；(5)按照設定的打印工藝參數和打印路徑，并根據導電圖案的電學性能需求確定其打印層數，從設定的起點開始打印；(6)直至完成所有玻璃板表面導電圖案打印；(7)打印噴頭返回初始打印位置，打印成形室破除真空環境；

10、步驟6：玻璃轉接板表面導電圖案固化；

11、步驟7：玻璃轉接板底面導電圖案制造，重復步驟5、步驟6完成玻璃轉接板底面所需導電圖案的打印與固化，得到金屬化tgv與雙面導電圖案一體化玻璃轉接板。

12、在本技術的一些實施例中，所述步驟2微孔成形方法包括：激光刻蝕、激光誘導變性、噴砂、機械鉆孔、超聲波鉆孔、濕法刻蝕、深反應離子刻蝕、光敏玻璃、激光誘導深度刻蝕、聚焦放電成孔等。

13、在本技術的一些實施例中，所述步驟2微孔成形方法為激光誘導變性。

14、在本技術的一些實施例中，所述步驟3打印材料金屬油墨包括但不限于以下材料：高固含量的納米金屬(金、銀、銅)導電漿料，納米金屬顆粒尺寸10nm-1μm，固含量85-98wt.％。

15、在本技術的一些實施例中，所述步驟3的打印工藝參數：打印電壓300-2000v；打印速度0.1-20mm/s；打印氣壓0.1-300kpa：打印噴嘴尺寸：1-100μm。

16、在本技術的一些實施例中，所述步驟3的打印模式包括但不限于以下模式：螺旋提升打印模式；層疊提升打印模式；z向垂直提升打印模式。對于20μm以下的微孔，采用z向垂直提升打印模式。對于尺寸大于20μm圓形微孔或者異性孔，采用螺旋或層疊提升打印模式。

17、在本技術的一些實施例中，所述步驟3打印設備包含若干個打印噴頭(陣列噴頭)，且打印噴頭的噴嘴均處于同一高度(z向)；噴頭間距與夾具中玻璃板間距保持一致。

18、在本技術的一些實施例中，所述步驟3夾具可線性陣列放置若干個玻璃板，且在陣列噴頭方向上的玻璃板數量應該為噴頭數量整數倍。

19、在本技術的一些實施例中，所述步驟3的打印路徑：打印路徑設定時應將陣列噴頭作為一個單位，將夾具上的玻璃板劃分為若干個單位打印區域，每進行一個單位區域玻璃板填充后移動到下個單位打印區域，依次進行完成所有玻璃板填充；微孔的填充以單個噴頭和單塊玻璃板為對應關系進行路徑規劃。

20、在本技術的一些實施例中，所述步驟4的燒結溫度50-300℃，燒結時間20分鐘-120分鐘。

21、在本技術的一些實施例中，所述步驟5打印材料金屬油墨包括但不限于以下材料：高固含量的納米金屬(金、銀、銅)導電漿料，納米金屬顆粒尺寸10nm-1μm，固含量85-98wt.％。

22、在本技術的一些實施例中，所述步驟5的打印工藝參數：打印電壓100-5000v；打印速度0.01-200mm/s；打印氣壓0.01-800kpa：打印噴嘴尺寸：1-1000μm。

23、在本技術的一些實施例中，所述步驟5的導電圖案打印路徑生成方式包括但不限于以下形式：繪制打印圖案，利用cam軟件將導電圖案轉化為打印機適應代碼，再將代碼導入3d打印機進行導電圖案打印。

24、在本技術的一些實施例中，所述步驟5可在基板表面導電圖案與金屬化tgv連接處，控制打印材料量填平金屬化tgv不平整表面或凹陷，并調控表面導電圖案與金屬化tgv的連接點大小及形狀，使得固化后表面導電圖案與金屬化tgv連接更加可靠。

25、在本技術的一些實施例中，所述步驟5的導電圖案打印層數：1-10層。

26、在本技術的一些實施例中，所述步驟5打印設備包含若干個打印噴頭(陣列噴頭)，且打印噴頭的噴嘴均處于同一高度(z向)；噴頭間距與夾具中玻璃板間距保持一致。

27、在本技術的一些實施例中，所述步驟5夾具可線性陣列放置若干個玻璃板，且在陣列噴頭方向上的玻璃板數量應該為噴頭數量整數倍。

28、在本技術的一些實施例中，所述步驟5的打印路徑：打印路徑設定時應將陣列噴頭作為一個單位，將夾具上的玻璃板劃分為若干個單位打印區域，每進行一個單位區域玻璃板表面導電圖案打印后移動到下個單位打印區域，依次進行完成所有玻璃板表面導電圖案打印；表面導電圖案打印以單個噴頭和單塊玻璃板為對應關系進行路徑規劃。

29、在本技術的一些實施例中，所述步驟6的燒結溫度50-250℃，燒結時間10分鐘-120分鐘。

30、與現有技術相比，本技術的有益效果：

31、(1)本技術提供的制造方法在玻璃轉接板產品研發階段具有獨特優勢：生產周期短；工序少；生產成本低；生產柔性高(可適應不同密度、精度、圖案的導電圖案與不同孔形、孔徑、不同深寬比孔的制造)且玻璃轉接板的tgv填充與表面導電圖案打印完全采用增材制造方法，避免材料浪費與環境污染，屬綠色環保制造。

32、(2)本技術提供的制造方法具有生產周期短的優勢。較之目前最常用的電鍍銅方法在tgv金屬化上生產周期更短，電鍍銅方法對于孔徑較大的微孔(>100μm)而言，為了實現微孔的無缺陷填充，通常需要降低銅的沉積速率，使用低電流密度和低溫，但電鍍時間大大延長，最終導致電鍍填孔的效率比較低下；較之采用物理性刻蝕、化學性刻蝕、物理化學性刻蝕等干法刻蝕工藝方法與溶解型刻蝕、氧化還原型刻蝕等濕法刻蝕工藝方法制造表面電路，生產周期也更短。

33、(3)本技術提供的制造方法具有工序少的優勢。常見的電鍍銅tgv金屬化工藝包含沉積阻擋層和種子層、電鍍-沉積銅、退火及cmp化學機械拋光等繁瑣工序步驟，常見的表面電路制作如光刻制備法包含表面覆膜、光刻、電鍍、去膜等工序，濕法刻蝕制備法包含金屬覆層、制作具有導電圖案掩膜、刻蝕、去膜等工序。而本技術提供的金屬化tgv與表面導電圖案一體化制造方法只包含填孔、固化和表面導電圖案打印、固化的工序，工序種類少，工序流程短。

34、(4)本技術提供的制造方法具有生產成本低的優勢。只需一臺功能完整的電場驅動噴射微納3d打印機與固化燒結設備就能完成金屬化tgv與表面導電圖案的制備，所需設備少且不需要昂貴設備，設備投入少；采用增材制造方法所需材料種類少，材料消耗少。

35、(5)本技術提供的制造方法生產柔性高，在產品開發階段具有獨特優勢。可根據不同應用需求制備各種不同線寬、密度、精度、圖案的導電圖案；適應不同孔形(如v形、x形、柱形)、孔徑(10-500μm)、不同深寬比(1-50)的盲孔或通孔的制備，尤其可實現在同一玻璃板上不同孔形、孔徑、不同高寬比的盲孔及通孔金屬化。

36、(6)本技術提供的制造方法屬綠色環保制造。常見電鍍銅tgv金屬化方法與采用光刻或刻蝕的表面電路制造方法污染較為嚴重，產生大量廢料廢液等。本技術的玻璃轉接板金屬化tgv與表面導電圖案制備完全采用綠色增材制造方法，避免了材料浪費與“三廢”(廢水、廢氣和固體廢棄物)產生等諸多問題。

37、(7)本技術提供的制造方法在超大高深寬比玻璃通孔無缺陷金屬填充與小孔徑玻璃通孔無缺陷金屬填充具有獨特的優勢；可實現高效率、高精度、高密度、與玻璃轉接板間有強附著力的表面導電圖案制造。

38、(8)本技術提供的制造方法可在基板表面導電圖案與金屬化tgv連接處，控制打印材料量填平金屬化tgv不平整表面或凹陷，并調控表面導電圖案與金屬化tgv的連接點大小及形狀，使得固化后表面導電圖案與金屬化tgv連接更加可靠。

39、(9)本技術提供的制造方法可實現高精度的玻璃通孔填充與rdl打印。依靠x運動方向視覺模塊與y運動方向視覺模塊實現打印噴頭的誤差補償；依靠裝在噴頭處的z向視覺定位模塊實現玻璃板與夾具的精準定位。

40、(10)本技術提供的制造方法是一種顛覆性的玻璃轉接板制造技術。以高固含量的微納米銀漿(或者納米導電銀漿)為打印金屬材料，燒結后具有良好導電性，尤其是使用含有玻璃粉的金屬漿料，玻璃通孔內填充的金屬與表面導電圖案能夠與玻璃板形成一體化。所制備的玻璃轉接板具有優良的抗沖擊性、穩定性和可靠性，能夠用于高振動、高低溫等極限環境。例如太空、航空航天、高超音速導彈等領域。