中国粉体网讯 当我们用手机刷短视频、用电脑办公时，很少有人会想到，这些流畅体验的背后，离不开芯片内部千万个细微的金属连接。随着5G、人工智能等技术的飞速发展，芯片需要更强大的性能，传统的硅基材料渐渐跟不上需求，而玻璃正成为新一代芯片封装材料的“潜力股”。
从硅到玻璃：芯片封装的材料革命
半个多世纪以来，芯片产业一直遵循着“摩尔定律”，每隔一段时间，芯片上的晶体管数量就会翻倍，性能也随之提升。但如今，硅材料的瓶颈越来越明显，它在高频信号传输时损耗大，影响着芯片性能的发挥。
这时，玻璃走进了科学家的视野，其拥有众多优秀属性，介电常数低，能让高频信号畅通无阻；热膨胀系数可调节，能适应芯片工作时的温度变化；还具有出色的耐化学性。这些优点让玻璃成为硅的理想替代品，尤其在玻璃通孔（TGV）技术中大放异彩。
TGV技术就像是在玻璃上打通无数细小的“隧道”，再用金属填充，实现芯片层与层之间的垂直连接。这种连接方式能大大提高芯片的集成度，但同样也存在问题，玻璃是绝缘体，如何让金属牢牢“粘”在玻璃通孔里，成为科研工作者面临的一大挑战。
化学镀：给玻璃穿上“金属外衣”
给玻璃通孔镀上金属，传统方法主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。这些方法需要在高温、低压的特殊环境下进行，不仅成本高，而且在高深宽比的通孔里，还容易出现“涂层不均”的问题，孔口的金属层厚，孔底却可能没覆盖到，很难做到均匀。
化学镀作为全湿法工艺，通过化学方法在绝缘基材表面生成薄金属层，通常用于印制线路板（PCB）盲孔/通孔的金属化工艺，与PVD、CVD等工艺不同，化学镀无须采用高温低压环境，并且具有操作简单、成本低廉等优点。
不过，玻璃表面太光滑了，就像在冰面上贴胶带，金属层很容易脱落。这成了化学镀在TGV技术中应用的最大障碍。
让金属层“粘”得更牢
为了解决金属层与玻璃的黏附问题，科研工作者们想出了不少巧妙的方法，大致可以分为四类。
金属氧化物基化学镀层：在玻璃和金属层之间加一层金属氧化物，就像涂了一层特殊胶水。这些氧化物（如氧化锌、二氧化钛）能和玻璃形成牢固的化学键，还能让金属原子扩散进来，形成“互锁结构”。比如在玻璃表面涂一层铝掺杂的氧化锌（AZO），高温处理后，氧化锌会和玻璃反应生成复合氧化物，铜原子还能扩散进去，让金属层像树根一样牢牢扎在玻璃上，经过测试，这种方法能让金属层通过严格的胶带测试，结合力非常可靠。
玻璃基板上AZO浸涂工艺 来源：Cheng. Direct copper pattern plating on glass and ceramic substrates using an Al-doped ZnO as an adhesive and conducting layer
自组装单分子膜基化学镀层：自组装单分子膜（SAM）是通过分子在固体表面自发组装形成的高度有序、厚度仅为单个分子尺寸的有机单层，一般使用硅烷偶联剂进行表面改性，它的一端能和玻璃表面的羟基结合，另一端的氨基或巯基则能与钯、银等催化剂形成化学键。这样一来，催化剂就被牢牢固定在玻璃上，后续沉积的金属层自然也就更稳固了。
表面粗化：把光滑的玻璃表面变得粗糙一些，就像把墙面打磨出纹路，让金属层能“嵌”进去。科学家们用氢氟酸蚀刻、超声波处理或等离子体轰击等方法，在玻璃表面制造出微小的凹凸结构。这些结构能和金属层形成机械互锁，就像无数个小钩子把两者连在一起。不过这种方法也有缺点，粗糙的表面可能会影响玻璃的透光性和高频性能，不太适合对光学性能要求高的场景。
不同超声条件对玻璃基板进行辅助粗化 来源：BAJPAI.Ultrasonic assisted surface roughening of glass substrate to improve adhesion of electroless nickel seed layer in microsystems packaging
其他创新方法：除了上述三种主流方法，科学家们还在不断探索新方案，比如在银层和玻璃之间加一层超薄的氧化硅夹层，能显著提高黏附性，同时不影响银的导电性和光学性能；还有通过优化玻璃的清洗方法，让表面更干净、更亲水，从而增强金属层的结合力。
展望
玻璃通孔化学镀金属化技术，正成为芯片封装领域的研究热点，当然，这项技术还有不少挑战需要攻克，比如如何进一步提高金属层的均匀性和可靠性，如何降低生产成本，如何适应更复杂的三维集成需求等，但随着研究的深入，相信这些问题会逐步得到解决。
参考来源:
孙鹏.玻璃通孔化学镀金属化研究进展.
BAJPAI.Ultrasonic assisted surface roughening of glass substrate to improve adhesion of electroless nickel seed layer in microsystems packaging.
Cheng. Direct copper pattern plating on glass and ceramic substrates using an Al-doped ZnO as an adhesive and conducting layer.
Mugica-vidal. Atmospheric pressure air plasma treatment of glass substrates for improved silver/glass adhesion in solar mirrors.
(中国粉体网编辑整理/月明)
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