玻璃基板通孔如何破局？激光+蚀刻的奇妙组合

本文主题是通孔以及如何最好地确保通孔的质量和可靠性。对于此工艺领域，我没有太多的专业知识，也无法分享太多大多数人不了解的知识。然而，我最近频繁地参与了一种通孔技术，这种技术对我们中的一些人来说可能不仅仅具有学术上的兴趣。它涉及在通常不与PCB制造相关联的材料中制作通孔：玻璃基板中的过玻璃通孔（Through- Glass Vias，TGV）。

过去10年，玻璃基板越来越受到行业的关注。与通常用作基板的玻纤/有机树脂面板相比，玻璃基板具有多种优势。除了具有优异的介质性能外，玻璃在更广泛的环境条件下具有更好的尺寸稳定性，可实现极其紧密的层间互连覆盖。玻璃还能承受更高的温度，因此玻璃基板PCB可以在更宽的温差范围内可靠运行。

在电源分布的设计规则中，玻璃还有其他几个优点，且由于具有更高的尺寸稳定性和耐热性，玻璃可能实现的互连密度增加到了惊人的10倍。无需太多的想象力就能意识到，这意味着电子设备在相同的空间可具有更多的功能。采用双面贯穿孔玻璃基板PCB的样品设备证明该技术符合理论预期。

目前，TVG技术的主要障碍是如何在玻璃中形成通孔。各家玻璃企业已经提供了厚度从0.3mm（0.012英寸）到0.9mm（0.035英寸）不等的具有所需介质性能的玻璃配方。厚度小于0.3mm的玻璃难以搬运，并且由于破裂而导致良率低。使用常规钻孔技术不可行；钻孔会对玻璃造成太多损伤，玻璃易破裂和破损。目前唯一可行的替代方案是激光钻孔，但激光钻孔也存在问题。

用激光器在玻璃上钻TGV需要相对较长的时间，即使是0.3 mm的玻璃（我们讨论的是在550 x 510毫米[22 x 20英寸]的玻璃基板上钻数百万个通孔）。样品生产可以证明这一概念可行，但对于批量生产来说太慢。更快的方法是使用激光诱导来修改玻璃结构，使其穿过通孔所在的玻璃，然后蚀刻弱化的玻璃以形成TGV。

但是，玻璃的最佳蚀刻剂是氢氟酸（hydrofluoric acid，HF），它的使用并不简单。蚀刻玻璃所需的质量分数为5%~10%（浓缩HF为49%质量分数），它不会致命，但会引起烧伤。过去10年，我使用了大量的HF来蚀刻钛、电视和手机显示器。然而，通过适当的预防措施和培训，提供安全的工作环境并不难。

激光感应完成后，就可通过将基板浸泡在适当强度的HF槽中8~10小时来蚀刻通孔。这仍然非常慢，甚至未经改型的玻璃对HF的抵抗力更强，它仍然会蚀刻至一定程度，导致不理想的玻璃厚度变化。有限的测试表明，喷射蚀刻可将通孔形成时间缩短到1小时或更短，具体取决于玻璃的厚度，同时表面厚度变化较小。我预计在不久的将来，我们的实验室会对蚀刻玻璃通孔进行更多的测试。

大多数玻璃PCB都是双面的，但也有多层样品。对于多层，出于显而易见的原因，厚度小于0.3mm的玻璃是理想的，但也因为随着玻璃厚度逐渐从0.2mm向0.1mm变化，可以使用激光器来制作通孔，而不是使用激光诱导和蚀刻来制作通孔。

主要的缺点是——假设你可以在不破坏玻璃的情况下搬运它——激光照射会在其表面留下微裂纹。必须在激光照射后用HF从玻璃表面蚀刻1~2µm来去除这些微裂纹。这是最理想的工艺，因为与其他通孔形成方法相比，它的速度更快，前提是克服了薄玻璃的搬运问题。我也希望很快能在实验室里看到更多的玻璃变薄测试！

总结：

如果你认为现在对FR-4基板中的通孔很感兴趣，那么想想未来会发生的一切，你会看清一切。玻璃基板的优势如此之大，它们的时代可能会更早到来。