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 封裝應用（包括機電、熱、光學、生物醫(yī)學和射頻設備）的高度通用基板。在這些應用中，玻璃通孔 （TGV） 技術通過玻璃基板建立電互連，在制造和封裝中起著至關重要的作用。

TGV在傳感器應用的優(yōu)勢

隨著5G、智能汽車、醫(yī)療等行業(yè)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越向便攜、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展。MEMS傳感器的封裝成本約占整機成本的30%，而封裝的密封性和互連性對器件性能有重要影響，進而影響傳感器的生產(chǎn)和應用。晶圓級封裝具有制造效率高、器件性能優(yōu)異等特點，相較于器件級封裝具有減小體積、節(jié)省成本的優(yōu)勢。

玻璃通孔（TGV）是通過玻璃基板實現(xiàn)的垂直電互連，與 TSV 相對應。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，有利于擴展高頻信號的傳輸。玻璃優(yōu)異的光學性能使其更適合于微光機電系統(tǒng) （MOEMS） 等光學應用。調整玻璃成分和優(yōu)化表面處理可以改變基板的熱膨脹系數(shù) （CTE） 和機械強度，從而提高金屬粘附性、應力控制和可靠性。

TGV 技術支持多種厚度（50 μm 至 900 μm）和大晶圓尺寸（6″ 至12 ″）和面板（510 × 515 mm 至 1500 × 800 mm）?；诓ＡУ墓に嚫雍唵?，無需在 TGV 內(nèi)壁沉積絕緣層，使玻璃封裝基板的制造成本遠低于硅基板。玻璃可以使用陽極鍵合和直接鍵合等技術鍵合到基板上，包括硅和其他玻璃。這些方法創(chuàng)造了一個穩(wěn)定的真空環(huán)境，適用于加速度計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減小設備尺寸。英特爾表示，玻璃基板技術可以將單個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速度和功率效率。

TGV在傳感器制造和封裝中的應用

封裝起到隔離敏感易碎的內(nèi)外環(huán)境、保護內(nèi)部空間、方便信號傳輸?shù)淖饔?。封裝工藝對傳感器，特別是MEMS傳感器至關重要。晶圓鍵合技術和垂直互連技術是晶圓級封裝技術的關鍵技術，對實現(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值。玻璃因具有高機械穩(wěn)定性、高密封性、高透明度和低熱導率等獨特性能，被廣泛應用于傳感器封裝。在傳感器封裝中，它可以作為蓋帽襯底，通過陽極鍵合、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技術的發(fā)展（主要包括過孔形成和金屬化）使得玻璃襯底因其優(yōu)越的性能優(yōu)勢在傳感器封裝中更受青睞。如圖1所示，根據(jù)玻璃的性能，詳細介紹了TGV工藝在不同類型傳感器中的應用和性能。

圖1 基于TGV技術的傳感器玻璃的參數(shù)

1. 運動傳感器

運動傳感器通常用于運動檢測和加速度測量。芯片需要足夠的抗沖擊性來保護內(nèi)部微結構。玻璃具有很強的機械性能，可以提高傳感器的抗沖擊性。TGV技術在運動傳感應用方面具有巨大的潛力。

Ma等采用玻璃轉接板作為頂蓋解決了TSV技術的應力問題，構建了一種基于體硅工藝的MEMS慣性傳感器對稱夾層結構。在400 μm厚的玻璃基板上采用噴粉技術形成盲孔，通過背面研磨拋光形成TGV，采用濺射技術沉積Al以提供TGV內(nèi)的電氣互連。利用光刻技術在轉接板兩側形成重分布層。以BCB為黏著層將轉接板黏合到MEMS加速度計晶圓上，實現(xiàn)加速度計的晶圓級封裝。

Zhang等利用玻璃回流工藝制作以低阻硅為導電柱的玻璃蓋，并通過陽極鍵合完成電容式陀螺儀的密封封裝，測試器件的品質因數(shù)超過220 000，比未封裝陀螺儀的品質因數(shù)提高了一個數(shù)量級；玻璃蓋的工藝流程如圖2a所示。Kuang等對玻璃回流的工藝機理進行了初步研究，并利用該方法成功封裝了陀螺儀，證明了采用TGV技術結合三陽極鍵合進行晶圓級真空封裝的可行性。

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，機械品質因數(shù)會隨著環(huán)境壓力的增加而惡化。TGV 工藝在電容式壓力傳感器等應用方面的潛力已經(jīng)得到證實。

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電通孔。該工藝完成了傳感器的密封并提供了電引入，無需在正面安裝鍵合線。

Kim 等利用玻璃回流技術制作用于電氣互連的硅玻璃結構晶片，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將玻璃蓋與 SOI 晶片上的 TGV 組合而成的。帶有 TGV 的玻璃蓋實現(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)驗證 Q 因子大于 22 000 且穩(wěn)定運行 5 個月，證實了真空封裝和電氣連接的可靠性。

3. 聲學傳感器

外界環(huán)境（如溫度、壓力、濕度等）的變化會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，可以通過檢測聲速的變化來判斷外界環(huán)境的變化。

Chen 等設計了一種新型三維晶圓級封裝 （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 實現(xiàn)玻璃封蓋和垂直互連，可避免排氣問題并防止叉指換能器 （IDT） 受到污染。

TGV 技術在聲學傳感器中的應用仍然相對有限，主要集中在 CMUT 上。超聲波換能器在醫(yī)療和水下勘探領域有著潛在的應用。電容式微機械超聲波換能器 （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的替代方案。CMUT 陣列可通過倒裝芯片鍵合和 TSV 加工與前端 IC 集成。TSV 加工是一個復雜的過程，具有高寄生電容和粗糙度，這會導致額外的應力并降低 CMUT 性能。因此，TGV 技術是一種很有前途的替代方案。

Zhang 等開發(fā)了一種通過在硼硅酸鹽玻璃基板上進行陽極鍵合來創(chuàng)建真空密封 CMUT 的程序。然后使用 TGV 互連擴展了該工藝。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，然后燒結和拋光以形成 TGV。CMUT 陣列制造已完成，并進行了性能測試以展示設備的基本功能，盡管它們不是真空密封的。Zhang 等報道了一種使用陽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極鍵合兼容的玻璃基板的限制。

圖3 基于TGV技術的聲學傳感器的制造和封裝過程：（a）SAW濾波器；（b）CMUT

4. 光學傳感器

采用晶圓級封裝方法的光學元件和系統(tǒng)目前還比較有限。玻璃具有優(yōu)異的光學和電學特性，特別適合封裝光學傳感器。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-曾德爾干涉儀 （MZI） 波導、流體通道、光電元件和硅芯片形成光學傳感器。

Stenchly 等介紹了一種適用于光學元件和系統(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，通過專門的工藝在玻璃蓋板上制作光學窗口，通過高溫烘烤過程中的熱應力實現(xiàn)結構傾斜，從而實現(xiàn)傾斜。TGV 轉接板可通過玻璃回流等技術集成到玻璃轉接板體內(nèi)，以低電阻硅或銅作為互連材料。透過玻璃蓋板與轉接板的黏合，即可封裝光學傳感器或雷射二極管，此模塊化設計具有相當?shù)漠a(chǎn)業(yè)潛力，可應用在各種應用領域。

5. 熱電傳感器

玻璃因具有可調的熱導率，在熱電傳感器的應用方面?zhèn)涫荜P注。熱電傳感器可將溫度變化轉換為電變化，可用于制作熱電發(fā)電機和風速傳感器，在便攜式電子設備、無線傳感器和醫(yī)療設備中有著巨大的應用前景。玻璃具有低熱導率，與高深寬比TGV結合，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。通過激光燒蝕形成通孔，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和成本優(yōu)勢，可以更靈活地控制器件的輸出電壓和功率。風傳感器常用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、能量收集等領域，通過傳感器檢測風引起的細微溫度變化可以估算出風力。微型熱風傳感器初始靈敏度高、加工成本低，但依靠加熱進行測量，能耗較高。玻璃是一種低熱導率材料，可以有效減少熱量損失。依靠TGV技術，無需外部接線即可實現(xiàn)電氣連接，滿足可靠性和高性能的要求。Zhu等提出了一種熱風傳感器封裝方案，采用玻璃回流技術實現(xiàn)。利用玻璃基板和TGV的性能優(yōu)勢，傳感器的總加熱功耗僅為14.5mW。

結論

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技術進行互連。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率來提高器件性能，而運動和壓力傳感器可以利用基板的機械性能和密封能力來提高器件的可靠性。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，從而擴大傳感器在高頻和高速領域的應用范圍。

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，高頻低損耗傳輸應用很少。因此，可以使用機械鉆孔和化學加工來加工通孔，并通過漿料填充、蒸發(fā)鍍或保形電鍍實現(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來滿足垂直互連和粘合的需求，從而無需額外的電鍍和金屬化工藝。