现代半导体器件的体积越来越小，同时性能却比以往任何时候都更强。芯片片（chiplets）、2.5D封装和3D集成等技术都依赖于一种被称为过孔（vias）的微小垂直连接结构。这些结构的制造必须具备极高的精度。
正因如此，玻璃通孔和硅通孔的计量技术已成为半导体制造中不可或缺的一部分。
什么是穿玻璃过孔（TGV）？
坐 Through-Glass Via (TGV) is a small vertical hole created through a glass substrate to carry electrical signals from one side to the other. After the hole is formed, it is filled with conductive material to create an electrical connection.
如果您想知道为什么使用玻璃而不是硅，答案就在于玻璃的独特性能。玻璃具有出色的尺寸稳定性、低电损耗、高电阻率以及良好的热稳定性。这些优势使其成为许多先进封装应用的理想材料。
如今，TGV列车已广泛应用于：
- 射频封装
- 器件
- 光子学
- 高性能计算
- 晶圆级封装
- 玻璃中介层
- 异构集成
随着半导体器件的持续微型化，TGV技术不仅支持更高的输入/输出（I/O）密度，还能帮助制造商减少信号损耗并提升封装性能。
什么是硅通孔（TSV）？
坐 Through-Silicon Via (TSV) is a vertical electrical connection that passes directly through a silicon wafer or silicon die. Instead of sending signals around the edge of a chip, TSVs allow signals to travel straight through the silicon.
这种更短的路径提高了电气性能，并使多个半导体芯片能够堆叠在紧凑的封装中。
通常可以在以下地方找到TSV：
- 三维集成电路
- 2.5D半导体封装
- 硅中间膜
- 硅中介层
- 处理器
- 图像传感器
- 基于芯片片的架构
TSV已成为现代半导体封装的关键组成部分之一，因为它能够支持更快的通信速度、更高的连接密度以及更高效的空间利用。
玻璃通孔与硅通孔的对比
| 功能 | 穿玻璃过孔（TGV） | 硅通孔（TSVs） |
| 基材 | 玻璃基板 | 硅片或硅芯片 |
| 主要目的 | 通过玻璃实现的垂直电气连接 | 通过硅的垂直电气连接 |
| 常见应用 | 射频封装、光子学、MEMS、玻璃中介层 | 3D集成电路、HBM、AI处理器、芯片片 |
| 电气性能 | 高频下电损极低 | 超高速电气通信 |
| 热膨胀 | 可根据需要进行调整，以与硅材料高度匹配 | 由硅的性质决定 |
| 信号完整性 | 非常适合射频和高频应用 | 非常适合高密度数字通信 |
| 制造方法 | 激光加工后进行选择性蚀刻 | 深度硅刻蚀，随后进行金属化 |
| 典型过孔密度 | 高 | 非常高 |
| 检查难度 | 由于玻璃是透明的，因此具有挑战性 | 由于硅结构深且窄，因此具有挑战性 |
| 计量学重点 | 直径、锥角、纵横比、透明度效果 | 直径、深度、胎侧质量、对齐度、扁平比 |
尽管这两种技术都执行相同的基本功能，但它们满足的包装要求各不相同。因此，每种技术都面临着各自的测量挑战，需要精心选择相应的计量技术。
为什么计量学对TGV和TSV至关重要
确保尺寸精度
每个过孔都必须符合其设计尺寸。即使直径、深度或锥度角存在微小偏差，也会影响电气性能。精确的计量技术可帮助您在继续生产前验证这些尺寸。
支持过程控制
制造过程包含许多步骤。微小的工艺变化可能会逐渐引发更大的问题。通过定期测量，工程师能够监控生产情况，及早发现偏差，并保持稳定的制造条件。
提高产品可靠性
成型不良的过孔可能会随着时间的推移出现电气或机械故障。测量关键尺寸有助于制造商在器件进入最终组装或客户应用之前发现潜在问题。
减少制造缺陷
早期检测可防止有缺陷的晶圆进入昂贵的生产阶段。尽早发现问题有助于减少材料浪费、降低制造成本，并提高整体生产效率。
提高半导体良率
更高的良率意味着每片晶圆能生产出更多合格器件。一致的计量技术有助于制造商优化工艺、减少废品，并在大规模生产中实现可重复的生产结果。
制造领域的挑战凸显了计量的重要性
高长宽比结构
现代过孔的深度越来越深，而其直径却在不断缩小。准确测量这些狭窄结构颇具挑战性，需要能够检测复杂三维特征的高分辨率计量技术。
极其微小的尺寸
许多半导体过孔的直径仅为几微米。在这种尺度下，即使微小的尺寸差异也会影响制造质量。因此，在整个生产过程中，精密测量变得至关重要
透明玻璃材料
玻璃虽具有诸多优点，但也带来了光学方面的挑战。反射和透光现象会增加检测难度，因此需要采用专门的光学计量技术来确保尺寸测量的准确性。
工艺波动
每个制造工艺都会产生微小的偏差。钻孔、蚀刻、电镀或抛光过程中的差异都可能导致几何形状发生变化。连续测量有助于工程师在这些偏差影响产品质量之前及时发现它们。
高密度过孔阵列
先进的封装中可能包含数千个间距极小的过孔。手动检查每个特征是不切实际的。自动化测量系统可帮助制造商在保持生产吞吐量的同时，对大量过孔进行一致的检测。
必须测量的关键尺寸
通过直径
直径决定了过孔能否被正确填充和连接。测量入口和出口的直径，可确保该特征在整个制造过程中符合设计规范。
通过深度
深度决定了通过基板的电气连接。深度不正确可能会导致电气性能无法可靠，或干扰后续的制造工序。
宽高比
长宽比是通过深度与直径的比值来衡量的。较高的长宽比可提高封装密度，但会增加制造难度。精确的测量可确认设计几何形状是否已实现。
锥角
许多过孔的一端比另一端略宽。测量锥度角有助于工程师评估钻孔或蚀刻质量，并保持稳定的制造性能。
位置与对齐
每个过孔都必须位于正确的位置。即使是很小的对位误差，也会影响再分布层、微凸点或堆叠芯片。组装前，通过精密计量技术可验证每个特征是否放置正确。
制造过程中的计量学
原材料基材检测
开孔之前就要开始进行检测。测量基板的厚度、平整度和表面质量，既能确立可靠的起点，也有助于防止后续加工步骤中出现缺陷。
通孔形成之后
钻孔或蚀刻完成后，工程师会测量每个过孔的基本几何尺寸。此举旨在确认在进行后续加工之前，已达到要求的直径、深度和长宽比。
在金属化过程中
导电材料沉积完成后，计量检测将验证过孔是否已正确填充，且尺寸变化是否仍处于可接受的制造公差范围内。
最终包装前
模具组装之前，工程师会检查对准情况、特征位置和关键尺寸。早期验证可降低组装失败的风险，并提高制造的一致性。
最终质量验证
最终检验确认，已完成的晶圆符合尺寸规格要求。这些测量结果确保了成品半导体封装在工作条件下能够按照设计要求正常运行。
用于TGV和TSV计量学的测量技术
光学计量学
光学计量 measures features using light instead of physical contact. You can accurately inspect via diameter, position, profile, and critical dimensions without touching delicate semiconductor structures. This method is widely used because it offers high precision while preventing damage to fragile wafers.
非接触式计量学
Non-contact metrology performs dimensional inspection without placing a probe on the surface. This approach protects thin wafers, glass substrates, and microstructures from mechanical stress while providing repeatable measurements suitable for semiconductor manufacturing and process control.
视频测量系统
Video measurement systems use high-resolution cameras and advanced image processing to inspect tiny semiconductor features. They allow you to measure diameters, spacing, alignment, edge quality, and other critical dimensions quickly across large numbers of vias.
共聚焦显微镜
共聚焦显微镜通过采集不同深度的清晰图像，构建精确的三维表面信息。该技术在测量通孔深度、侧壁几何形状和表面高度时非常有用，同时能保持极佳的垂直测量精度
白光干涉测量法
白光干涉测量法利用反射光的干涉现象来测量表面高度。无需接触半导体表面，即可检测其平整度、台阶高度、表面粗糙度以及细微的地形特征。
基于激光的测量
Laser measurement systems use focused laser beams to evaluate dimensions and surface profiles with high accuracy. They are suitable for measuring deep structures, inspecting complex geometries, and supporting automated semiconductor manufacturing processes.
焦距变化
焦距变化技术将光学成像与可控的焦距变化相结合，以重建三维表面。该技术可有效测量陡峭表面、复杂轮廓以及难以通过传统成像方法评估的微观特征。
光学轮廓测量
3D光学轮廓测量技术可生成半导体特征的详细三维模型。它使工程师能够评估过孔深度、锥角、侧壁轮廓、表面纹理以及其他对工艺验证至关重要的尺寸特性。
坐标测量系统
坐标测量系统用于确定晶圆上关键特征的精确位置。这些系统通过验证位置、间距、对准情况以及几何关系，有助于确保每个结构都符合预期的半导体设计。
过孔计量过程中发现的常见缺陷
早期缺陷检测有助于提高产品质量，并防止制造问题在后续昂贵的生产阶段进一步恶化。精确的计量技术有助于工程师在最终组装前识别尺寸偏差和结构缺陷。
直径变化
过大或过小的过孔可能无法达到预期性能。测量直径有助于确认制造的一致性，并确保电气连接符合设计要求。
对齐错误
每个过孔都必须精确定位。即使是很微小的定位误差，也会影响再分布层、堆叠芯片或微凸点。对准测量可验证每个特征是否位于正确位置。
锥度过大
较大的锥度角会改变过孔的内部形状。这可能会影响金属化质量和电气性能。测量锥度有助于评估钻孔和蚀刻的精度。
表面损伤
细微裂纹、缺口或毛边可能会削弱基材强度或降低制造可靠性。计量系统用于检测表面质量，以便在后续加工前识别出这些缺陷。
过孔形成不完全
部分过孔在制造完成后可能未达到要求的深度，或存在几何形状不规则的情况。通过测量深度和轮廓，可确认过孔是否按照规格要求制造。
测量穿玻璃过孔面临的挑战
尽管玻璃在包装方面具有诸多优势，但也带来了独特的检测挑战，需要采用专门的计量方法。
透明材料
玻璃允许光线穿透。这种透明性会产生反射和光学效应，如果检测方法设计不当，就会使精确的尺寸测量变得更加困难。
高长宽比过孔
许多TGV管件既窄又深。随着长宽比的增大和制造公差的收紧，准确测量其直径和深度变得越来越困难。
较小的锥角
现代玻璃中介层通常需要非常小的锥度角，以最大限度地提高过孔密度。需要进行精密测量，以确保在整个晶圆上能够一致地验证这些细微的几何差异。
高密度过孔阵列
单个基板上可能存在数千个间距紧密的TGV。自动化光学测量技术有助于高效检测这些高密度图案，同时确保测量重复性
大型玻璃板
目前，玻璃基板既有晶圆形式，也有面板形式。要在较大面积上保持尺寸精度的稳定性，需要稳定且重复性极高的计量系统。
测量硅通孔面临的挑战
由于TSV直接形成于硅内部，且常用于超高密度半导体器件中，因此其测量面临着不同的挑战。
深硅结构
TSV贯穿硅片，其深度通常远大于直径。要准确测量这些结构，需要采用高分辨率的三维检测技术。
微小特征尺寸
随着封装密度的提高，现代TSV的尺寸仍在不断缩小。微小的尺寸偏差变得愈发显著，因此在整个制造过程中，精密计量变得至关重要。
胎侧质量
硅刻蚀工艺可能会导致侧壁不平整。测量侧壁几何形状有助于工程师评估工艺质量，并保持稳定的制造性能。
密集过孔布局
先进的芯片片和存储器器件中包含大量间距紧密的垂直通孔（TSV）。为了在不影响生产速度的情况下评估这些复杂图案，必须进行自动化检测。
薄硅片
Many semiconductor packages use very thin wafers after grinding. These delicate substrates require 非接触测量 techniques that provide accurate results without introducing mechanical stress.
计量学如何提高半导体良率
及早检测工艺波动
微小的制造变化可能会逐渐影响过孔尺寸和对齐情况。定期测量有助于工程师在这些变化演变成更严重的质量问题或导致生产良率下降之前及时发现它们。
减少废品和返工
最终组装前发现尺寸问题，可以防止有缺陷的晶圆进入昂贵的制造工序。这既能减少不必要的材料浪费，又能降低生产成本，并提高制造效率。
改善流程优化
计量技术在整个生产过程中提供精确的测量数据。工程师利用这些信息来调整制造工艺、提高重复性，并确保多个晶圆批次之间的生产稳定性。
支持可靠的包装
制造工艺规范的TGV和TSV可改善半导体元件之间的电气连接。精确的检测可降低在封装组装或产品运行过程中可能出现的故障风险。
实现稳定的大批量生产
现代半导体工厂每天生产数千片晶圆。自动化光学测量技术可确保尺寸测量结果的准确性和可重复性，从而帮助在大量生产中保持产品品质的一致性。
如何为TGV和TSV检测选择合适的计量解决方案
测量精度
该系统应能够高精度地测量微观尺寸。准确的结果有助于在工艺开发、生产监控和最终质量验证过程中增强信心。
非接触式检测能力
薄硅片和玻璃基板非常脆弱。非接触式测量技术在整个检测过程中既能保持精确的尺寸测量，又能降低表面受损的风险。
三维测量
许多关键过孔特征包括深度、锥角和侧壁几何形状。计量解决方案应能够准确测量二维和三维特征
自动化与吞吐量
High-volume semiconductor manufacturing requires automated inspection. The measurement system should inspect large numbers of vias efficiently while maintaining repeatable results across multiple wafers.
软件与数据分析
现代计量学包含用于测量、报告、过程监控和统计分析的先进软件。清晰的测量数据有助于工程师更快地做出制造决策，并改善整体过程控制。
关于 VIEW 微计量
先进封装技术要求在每个制造阶段都进行高精度的尺寸测量。这包括检查关键尺寸、验证对准情况、测量过孔几何形状，以及支持工艺控制。
VIEW Micro Metrology develops high-performance 光学计量, non-contact metrology, and critical dimension measurement systems used for precision semiconductor inspection. These technologies support manufacturers working with advanced packaging, wafer-level applications, and other high-accuracy measurement requirements where repeatable dimensional data is essential.
需要关于如何为您的应用选择合适的计量方法的指导吗？
Get in touch with the VIEW 微计量 team to discuss your application and measurement requirements.
结论
玻璃通孔和硅通孔已成为现代半导体封装的基础技术。随着器件不断向微型化和复杂化发展，精确的计量技术变得越来越重要。
精密测量有助于确保尺寸精度、制造一致性、产品可靠性以及更高的半导体良率，因此成为先进封装生产过程中最具价值的工序之一。
常见问题解答
什么是TGV计量学？
TGV计量技术用于测量穿玻璃过孔的尺寸和几何形状。它在玻璃中介层制造的全过程中，对直径、深度、锥度角、对准情况及其他关键尺寸进行验证。
什么是TSV计量学？
TSV计量技术用于测量先进半导体封装中使用的硅通孔。它在封装组装前，对硅通孔的尺寸精度、轮廓、深度、侧壁质量以及定位进行验证。
过孔计量学为何重要？
通过计量学可在制造缺陷导致高昂成本之前识别尺寸偏差。这有助于改善工艺控制、保障产品可靠性、减少废品，并提高半导体生产良率。
哪些测量数据最为关键？
最重要的测量项目包括过孔直径、深度、纵横比、锥度角、侧壁轮廓、位置精度、间距、对准、平整度以及表面质量。
通常使用哪些技术？
常见的技术包括光学测量、非接触式测量、视频测量系统、共聚焦显微镜、白光干涉测量、激光测量、焦距变化测量以及三维光学轮廓测量。
玻璃基板存在哪些挑战？
玻璃由于其透明性、光反射、光折射、高长宽比的过孔以及极其小的锥度角，给测量工作带来了挑战，因此需要采用专门的光学检测方法。
计量学如何提高半导体良率？
精确的测量能够及早发现制造过程中的波动。这有助于减少缺陷、提高工艺一致性、降低生产成本，并增加合格半导体器件的数量。
什么是非接触式计量？
非接触式计量技术利用光或光学技术来测量尺寸，而非使用物理探针。这既能避免造成损伤，又能为精密的半导体结构提供精确的测量结果。
如何测量高长宽比的过孔？
高长宽比过孔的测量采用先进的光学技术，该技术能够在不损伤基板的情况下，精确测定其直径、深度、锥度角以及三维几何形状。
光学测量与接触式测量有何区别？
光学测量利用光线对特征进行非接触式测量。接触式测量则使用物理探针。对于精密的半导体晶圆和微观结构，通常更倾向于采用光学方法。