具体实施方式

除非另有明确说明，否则本文所述的任何方法不应理解为其步骤需要按具体顺序进行，或者要求使任何设备具有特定取向。因此，如果方法权利要求没有实际叙述其步骤要遵循的顺序，或者任何设备权利要求没有实际叙述各组件的顺序或取向，或者权利要求书或说明书中没有另外具体陈述步骤限于具体顺序，或者没有叙述设备组件的具体顺序或取向，那么在任何方面都不应推断顺序或取向。这适用于解释上的任何可能的非表达性基础，包括：涉及步骤安排的逻辑问题、操作流程、组件的顺序或组件的取向问题；由语法组织或标点派生的明显含义问题和说明书中描述的实施方式的数量或类型问题。

除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式“一个”、“一种”以及“该/所述”包括复数指代。因此，例如，提到的“一种”部件包括具有两种或更多种这类部件的方面，除非文本中有另外的明确表示。并且，当在词语“或”的后面没有“任一”(或指示“或”明确表示为排他性的其他类似语言——例如，x或y中的仅一种等)的情况下使用词语“或”时，其应被解释为包含性的(例如，“x或y”表示x或y中的一种或两种)。

术语“和/或”也应被解释为包含性的(例如“x和/或y”意为x或y中的一种或两种)。在“和/或”或者“或”用作三个或更多个条目的组的连接的情况下，该组应被解释为仅包括一个条目，所有条目在一起，或这些条目的任何组合或数量。另外，说明书和权利要求中使用的术语，例如具有、具备、涵盖和含有应被理解为与术语包含和包括同义。

如本文所用，术语“约”指量、尺寸、配方、参数和其他数量和特征不是精确的且无需精确的，但可按照要求是大致的和/或更大或者更小，如反映公差、转化因子、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员所知的其他因子。当术语“约”用于描述数值或范围的端点时，本公开应理解为包括所提到的具体数值或端点。无论说明书中的范围的数值或端点是否使用“约”列举，范围的数值或端点旨在包括两种实施方式：一种用“约”修饰，另一种未用“约”修饰。还应理解，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。

所公开的范围应理解为包含任何及所有子范围或各个范围包含的任何和所有的单个值，并且为描述这些子范围或单个值的权利要求提供支持。例如，陈述的1至10的范围应被理解为在最小值1与最大值10之间的任何及所有子范围或者它们之间的单个值(包括和/或不包括端点)，并且为描述这些子范围或单个值的权利要求提供支持；也即，以最小值1或更大的数值开始并以最大值10或更小的数值结束的所有子范围(例如5.5至10、2.34至3.56等)或者1至10的任何值(例如3、5.8、9.9994等)。

具有通孔的玻璃和玻璃陶瓷基材

具有通孔的玻璃和玻璃陶瓷基材对于多种应用来说是期望的。例如具有封装穿孔(TPV)互连件并且该TPV互连件连接中介层一侧上的逻辑装置和中介层另一侧上的存储器的3D中介层对于高带宽装置来说是期望的。现有的基材或者由有机材料形成或者由硅形成。然而，有机中介层具有尺寸稳定性差的问题，而硅晶片昂贵且具有高介电损耗的问题。由于玻璃和玻璃陶瓷相对较低的介电常数、它们的热稳定性以及较低的成本，因此，玻璃和玻璃陶瓷可以是卓越的基材材料。具有贯穿玻璃通孔(TGV)的玻璃或玻璃陶瓷基材具有一些应用。这些通孔通常需要被导电金属(例如铜)完全填充或保形填充，以形成电学通道。铜是特别合意的导电金属，但是其不能很好地粘附于玻璃，并且铜与许多基材组合物有大的热膨胀系数错配。铜和玻璃的大的热膨胀系数错配可导致当玻璃制品经受高温加工时，形成玻璃的径向和/或周向开裂。因此，本文所述的各个实施方式具有通孔，所述通孔的直径被限制在低于临界阈值，从而能够使通孔被铜完全填充而不会在经受高温工艺时导致基材开裂。

图1示出了包含基材100的制品，其以局部透视图示意性描绘。基材100包括第一主表面102以及与第一主表面102相对的第二主表面104。多个通孔110通过基材100的本体而从第一主表面102延伸到第二主表面104。金属连接件150填充通孔110。应理解，任何数目的通孔110可以任何布置延伸通过基材100。坐标标记101示出了轴向尺寸z的方向，其垂直于第一主表面102和第二主表面104的平面。除非另外规定，否则通孔或金属连接件的“长度”在轴向尺寸z上。基材100的厚度t有时在本文中称为轴向长度L，其在轴向尺寸上，取决于应用，该厚度t可以是任何合适的厚度。

在各个实施方式中，基材100可以包括任何合适的玻璃或玻璃陶瓷基材。在一些具体的实施方式中，由于高二氧化硅玻璃或玻璃陶瓷基材的介电性质，因此它们对于某些应用来说是期望的。例如，可以使用二氧化硅含量为50摩尔％、55摩尔％、60摩尔％、65摩尔％、70摩尔％、75摩尔％、80摩尔％、85摩尔％、90摩尔％、95摩尔％或100摩尔％，或者具有这些值中的任何两个作为端点的任何范围(包括端点)的玻璃或玻璃陶瓷材料。可以使用二氧化硅含量为50摩尔％至100摩尔％、或75摩尔％至100摩尔％的玻璃或玻璃陶瓷材料。在具体的实施方式中，所述基材包含至少90重量％的二氧化硅。

对于具有本文所述尺寸的基材，特别难以利用铜金属连接件在高二氧化硅玻璃中获得气密性密封的通孔，这至少是出于两个原因。第一，铜不能很好地粘附于玻璃。第二，铜与高二氧化硅玻璃之间的CTE错配特别大，这可使得当基材经受热循环时，基材开裂。尽管存在这些原因，但是本文所述的制品和方法通过提供优异的应力释放机制，实现了气密性密封。

图2-7示出了包含基材100的制品，其作为沿着线2-2’的图1的截面图示意性描绘。图2-7示出了图1的基材100、坐标标记101、第一主表面102、第二主表面104、通孔110和金属连接件150。通孔110的内表面114被分成第一轴向部分116、第二轴向部分118和第三轴向部分120。在第一轴向部分116和第三轴向部分120中，在通孔110的内表面114上设置了氦气气密性粘附层122。在实施方式中，氦气气密性粘附层122沿着第一轴向部分116和/或第三轴向部分120中的至少一者的整个周界被设置在通孔110的内表面114上。因此，虽然图2-7将氦气气密性粘附层120描绘成至少位于第一轴向部分116和第三轴向部分120中，但是应考虑在其他实施方式中，氦气气密性粘附层122可以位于第一轴向部分116中并且不位于第三轴向部分120中，或者在第三轴向部分120中并且不位于第一轴向部分116中。在一些实施方式中，例如，图2、4和6所示的实施方式，氦气气密性粘附层122不存在于第二轴向部分118中。这样的实施方式被称为“部分结合”。然而，在另一些实施方式中，例如，图3、5和7所示的实施方式，氦气气密性粘附层122存在于第二轴向部分118中，并且沿着整个轴向长度从第一主表面102延伸到第二主表面103。这样的实施方式被称为“完全结合”。在部分结合的实施方式中，第二轴向部分118中不存在氦气气密性粘附层122，因此，金属连接件150沿着第二轴向部分118不那么牢固地结合于内表面114。

如本文所用的短语“氦气气密性粘附层”意为以小于10^-5atm*cc/s的渗透性，对氦气提供气密性的粘附层，所述渗透性使用基于真空的氦气检漏测试系统，通过将金属连接件150粘附到通孔110的内表面114来测量。在一些实施方式中，粘附层以小于10^-8atm*cc/s的渗透性对氦气提供气密性。合适的氦气气密性粘附层材料包括金属，如钛(Ti)、铬(Cr)、钽(Ta)、钒(V)、镍(Ni)、钨(W)，或者金属氧化物，如氧化锌、钨氧化物和锰氧化物，或者氮化物，例如，氮化钛(TiN)和氮化钽(TaN)。在各个实施方式中，氦气气密性粘附层包含以下中的一种或多种：Ti、TiN、Ta、TaN、Cr、Ni和金属氧化物。氦气气密性粘附层的厚度大于或等于1nm且小于或等于500nm。例如，在一些具体的实施方式中，氦气气密性粘附层的厚度为约100nm。

在一些实施方式中，例如，在部分结合的实施方式中，第一轴向部分116或第三轴向部分120的轴向长度可以被称为“粘附长度”，因为该长度是通孔110中金属连接件150沿着其牢固粘附于基材100的长度。在一些这样的实施方式中，粘附长度大于或等于5μm且小于或等于148μm。粘附长度可以大于或等于10μm且小于或等于135μm，大于或等于10μm且小于或等于130μm，大于或等于10μm且小于或等于125μm，大于或等于10μm且小于或等于120μm，大于或等于10μm且小于或等于115μm，大于或等于15μm且小于或等于140μm，大于或等于15μm且小于或等于135μm，大于或等于15μm且小于或等于130μm，大于或等于15μm且小于或等于125μm，大于或等于15μm且小于或等于120μm，大于或等于20μm且小于或等于140μm，大于或等于20μm且小于或等于135μm，大于或等于20μm且小于或等于130μm，大于或等于20μm且小于或等于125μm，大于或等于25μm且小于或等于140μm，大于或等于25μm且小于或等于135μm，大于或等于25μm且小于或等于130μm，大于或等于130μm且小于或等于140μm，大于或等于30μm且小于或等于35μm，或者大于或等于35μm且小于或等于140μm。在一些实施方式中，粘附长度大于或等于40μm且小于或等于140μm，大于或等于40μm且小于或等于130μm，大于或等于40μm且小于或等于120μm，大于或等于40μm且小于或等于110μm，大于或等于40μm且小于或等于100μm，大于或等于40μm且小于或等于90μm，大于或等于40μm且小于或等于80μm，大于或等于40μm且小于或等于70μm，或者大于或等于40μm且小于或等于60μm。例如，粘附长度可以为约40μm、50μm、60μm或70μm。应考虑在各个实施方式中也可以采用其他粘附长度。

通孔110在轴向方向上具有通孔长度130，其在本文中有时被称为通孔110的轴向长度L。在完全结合的实施方式中，粘附长度可以等于通孔长度130。通孔110具有在第一主表面102处的第一直径132a，在第二主表面104处的第二直径132b，以及在第二轴向部分118中的第三直径132c。

如图2-7所示，金属连接件150在通孔110的轴向长度L上从第一主表面102到第二主表面104完全填充通孔110，由此消除了金属连接件150中的腔体内被污染的可能性。金属连接件可以由任何合适的金属形成。在一些实施方式中，由于铜的特别高的电导率，因此铜可以是合意的金属。也可以使用金、银和其他导电金属，以及导电金属的合金。在实施方式中，所述金属连接件包括铜。在一些具体的实施方式中，所述金属连接件基本上由铜组成。在通孔110内粘附的金属连接件150气密性密封通孔110。

通孔形状

在本文所述的实施方式中，通孔110可以具有各种形状中的任何一种。在图2和图3所示的实施方式中，通孔110具有渐缩的内表面114，其从第一主表面102处的第一直径132a以及第二主表面104处的第二直径132b渐缩或变窄到腰部125，该腰部125具有等于第三直径132c的腰部直径。这种构造在本文中被称为完全填充的颈缩通孔，或FPV。如本文所用的，通孔的“腰部”是指直径可变的通孔的具有最小直径的部分。在这些实施方式中，通孔110的直径可以根据轴向位置而变化。通孔110的总“直径”是最大直径Φ_最大。除非另外规定，否则“通孔直径”是指最大直径。当通孔110不是圆形时，通孔110的“直径”是在与轴向方向垂直的平面中，具有与通孔110相同的截面积的圆形的直径。

通孔腰部125沿着通孔的轴向长度具有最小直径。作为第一直径的百分比，通孔腰部的直径可以是10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％，或者是这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。作为第二直径的百分比，通孔腰部的直径可以是10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％，或者是这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。通孔腰部的直径可以是第一直径的75％或更小，并且通孔腰部的直径可以是第二直径的75％或更小。通孔腰部的直径可以是第一直径的20％至50％或更小，并且通孔腰部的直径可以是第二直径的20％至50％或更小。在各个实施方式中，第三直径132c、或者通孔腰部大于或等于10μm且小于或等于30μm。第三直径132c可以大于或等于20μm且小于或等于30μm，或者大于或等于22μm且小于或等于27μm。例如，第三直径132c可以是10μm、15μm、20μm、22μm、25μm、27μm或30μm。在各个实施方式中，第三直径132c与第一直径132a的比值小于或等于1:6，小于或等于1:5，小于或等于1:4，小于或等于1:3，或者小于或等于1:2，并且/或者第三直径132c与第二直径132b的比值小于或等于1:6，小于或等于1:5，小于或等于1:4，小于或等于1:3，或者小于或等于1:2。

通孔110任选地具有在内边缘处的圆化圆角124，以减少应力集中，包括在通孔腰部125处。如本文所用，“圆角”是指沿着通孔110的内部角的圆化角。这种圆化圆角可以用在通孔形状的任何边缘处。圆化圆角124可以具有任何合适的直径，例如，3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm，或者具有这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。可以使用其他直径。

通孔110具有内表面114，该内表面114具有两个不同的斜面，以及在圆角124处的斜面变化。通孔110从第一主表面102和第二主表面104中的每一者到腰部125可以具有单个斜面，如图2所示的两个斜面，或者更复杂的形状。其中的一个或多个斜面可以垂直于第一主表面102和第二主表面104，如图2所示。

在图4和图5所示的实施方式中，通孔110具有渐缩的内表面114，其从第一主表面102处的第一直径132a渐缩或变窄到第二主表面104处的第二直径132b。通孔110还包括位于第二轴向部分内的第三直径132c，其小于第一直径132a且大于第二直径132b。因此，第一直径132a大于第二直径132b和第三直径132c，并且第三直径132c大于第二直径132b。这种构造在本文中被称为完全填充的渐缩通孔，或FTV。在这样的实施方式中，第一直径132a是最大通孔直径Φ_最大。

在图6和7所示的实施方式中，通孔110具有垂直于第一主表面102和第二主表面104的内表面114。通孔具有在第一主表面102处的第一直径132a，在第二主表面104处的第二直径132b，以及在第二轴向部分中的第三直径132c，所述第三直径132c等于第一直径132a和第二直径132b。这种构造在本文中被称为完全填充的圆柱形通孔，或FCV。在这样的实施方式中，通孔110的直径随着轴向位置是恒定的。

通孔110可以具有任何合适的通孔长度130，或轴向长度L。作为非限制性实例，基材100的厚度(以及通孔长度130)可以是150μm、180μm、240μm、300μm、360μm、420μm、480μm、500μm，或者这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。在一些实施方式中，厚度t和通孔长度为150μm至500μm，或者200μm至360μm。

通孔110可以具有任何合适的第一直径132a、第二直径132b和第三直径132c。作为非限制性实例，这些直径可以是5μm、10μm、13μm、15μm、17μm、19μm、20μm、21μm、22μm、24μm、25μm、27μm、30μm，或者是这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。在一些实施方式中，通孔直径可以大于或等于1μm且小于或等于30μm，大于或等于1μm且小于或等于25μm，大于或等于1μm且小于或等于19μm，或者大于或等于1μm且小于或等于17μm。如下文将更详细描述的，在各个实施方式中，取决于通孔形状以及金属连接件是部分还是完全结合的，通孔110的最大直径Φ_最大小于或等于30μm，小于或等于27μm，小于或等于25μm，小于或等于24μm，小于或等于22μm，小于或等于21μm，小于或等于19μm，甚至小于17μm，小于或等于15μm，或者甚至小于13μm，以便减小应力并防止基材开裂。

在一些实施方式中，通孔110是完全填充的、完全结合的圆柱形通孔，并且最大直径Φ_最大小于或等于30μm，小于或等于27μm，或者小于或等于24μm。在另一些实施方式中，通孔110是完全填充的、部分结合的圆柱形通孔，并且最大直径Φ_最大小于或等于25μm，小于或等于22μm，或者小于或等于19μm。在另一些实施方式中，通孔110是完全填充的、完全结合的渐缩通孔，并且最大直径Φ_最大小于或等于19μm，小于或等于17μm，或者甚至小于或等于15μm。在另一些实施方式中，通孔110是完全填充的、部分结合的渐缩通孔，并且最大直径Φ_最大小于或等于17μm，小于或等于15μm，或者小于或等于13μm。在另一些实施方式中，通孔110是完全填充的、完全结合的颈缩通孔，并且最大直径Φ_最大小于或等于27μm，小于或等于24μm，或者小于或等于21μm。在另一些实施方式中，通孔110是完全填充的、部分结合的颈缩通孔，并且最大直径Φ_最大小于或等于25μm，小于或等于22μm，或者小于或等于19μm。

第一、第二和第三轴向部分的轴向长度可以具有任何合适的长度。在各个实施方式中，选择实现了低的最大主应力和氦气气密性的组合的长度。在一些实施方式中，第一和第三轴向部分的长度独立地选自通孔长度的1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％、35％和40％，或者这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。第二轴向部分的长度是通孔长度的20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％或98％，或者这些数值中的任何两个数值作为端点的任何范围，包括端点。第一和第三轴向部分的长度可以是通孔长度的2％至40％，而第二轴向部分的长度是通孔长度的20％至96％。

在各个实施方式中，通孔是高纵横比通孔，其中，通孔长度为150μm至500μm并且通孔直径为1μm至30μm。如本文所用，“纵横比”是指玻璃基材的平均厚度与通孔的平均直径的比值。“高纵横比”是指大于3的纵横比。

在本文所述的各个实施方式中，通孔110具有轴向长度L和最大直径Φ_最大，并且它们满足以下方程：

在一些实施方式中，通孔110具有轴向长度L和最大直径Φ_最大，并且它们满足以下方程：

虽然常规来说，纵横比(L/Φ_最大)用作临界参数，但是已经发现L/(Φ_最大)^1/2比可以和与贯穿通孔的无电镀和电镀相关的难度更加相关。例如，可以证明，纵横比相同的两个贯穿玻璃的通孔几何结构可以具有不同的L/(Φ_最大)^1/2值，并且L/(Φ_最大)^1/2值更高的贯穿玻璃的通孔更难以金属化。不囿于理论，认为与由于自催化原因(在无电镀覆的情况中)或电荷转移反应(在电镀的情况中)造成在侧壁上的反应而导致的铜离子耗尽相比，铜离子扩散到通孔中心的速度需要足够快，这一事实产生了困难。系统的扩散反应方程的理论分析显示扩散/反应比与L/(Φ_最大)^1/2成比例。具体地，L/(Φ_最大)^1/2的值越高，在通孔内不因铜耗尽而形成缺陷的情况下进行金属化的困难越大。

制造方法

可以通过任何合适的方法来制造具有渐缩形状的贯穿玻璃通孔。一种方法是利用激光在基材100中形成损伤迹线，然后进行蚀刻。示例性的方法见述于第9,656,909号美国专利和系列号为62/588,615的美国专利申请，它们通过引用全文纳入本文。另一种方法是用激光对光敏玻璃进行改性，然后进行蚀刻。

图8显示出例示了用于对贯穿玻璃通孔进行金属化的过程的流程图。在步骤810中，至少在第一轴向部分和第三轴向部分中，在通孔的内表面上沉积氦气气密性粘附层。在随后的步骤820中，在通孔内沉积金属连接件，以使得金属连接件至少在第一轴向部分和第三轴向部分中粘附于氦气气密性粘附层。

可以通过任何合适的方法在第一和第三轴向部分(以及任选地在第二轴向部分)中的内表面上沉积氦气气密性粘附层。例如，可以使用视线沉积(line of sightdeposition)方法(例如，溅射)并且调整沉积角来容易地控制在z尺寸上的第一和第三轴向部分的长度。在沉积期间可以旋转基材以确保粘附长度围绕通孔内表面的整个周界是恒定的。

可使用许多不同方法向玻璃表面施加作为由金属、金属氧化物或金属氮化物形成的膜的形式的氦气气密性粘附层，这些方法如溅射、电子束沉积、离子束沉积、原子层沉积、化学气相沉积和溶液涂覆。

金属连接件可以通过任何合适的方式来沉积。用于沉积铜(和其他金属)的一种合适的方法是在氦气气密性粘附层上沉积催化剂(例如Pd)，然后无电沉积铜，接着电镀铜。在各个实施方式中，电镀过程包括：使用包含金属盐、支持电解质和添加剂的电镀浴，以及施加电流密度大于或等于1.5mA/cm²且小于或等于5mA/cm²，或者大于或等于1.5mA/cm²且小于或等于2.5mA/cm²的电流。金属盐可以是形成金属连接件的金属的盐，例如，CuSO₄。

另一种合适的方法可以包括：在通孔的“底部”沉积金属连接件，并且继续沉积金属以使得金属材料可继续生长并填充通孔直到金属材料到达通孔的“顶部”。这种过程有时被称为“从下往上的电解镀覆”。

用于沉积金属连接件的其他合适的方法包括用金属糊料填充通孔，以及烧结或化学气相沉积(CVD)。沉积铜的合适方法进一步描述于美国专利公开US2017-0287728(例如，参见第[0004]–[0005]段)，所述文献通过引用全文纳入本文。

热循环

常使具有填充通孔的玻璃和玻璃陶瓷基材经受热循环。这种热循环可在装置操作期间，或者通孔填充之后的制造步骤期间发生。在一些实施方式中，例如，可以使玻璃基材经受热循环以进行退火。

如上所述，铜和其他金属的热膨胀系数(CTE)与许多玻璃和玻璃陶瓷材料的CTE之间存在大的错配。由于CTE错配，在加热时，金属连接件比周围的玻璃或玻璃陶瓷基材更快地膨胀。类似地，在冷却时，金属连接件比周围基材更快地收缩。这种膨胀和收缩的差异造成了应力，该应力可导致多种失效机制，例如脱层或开裂。这些失效机制可造成气密性丧失和其他问题。

脱层是一种失效机制。当导电金属(例如铜)从通孔内部脱附时，发生脱层。当导体与基材之间存在弱结合时，由热循环造成的应力可导致脱层。脱层可导致气密性丧失，因为气体和液体可沿着脱层的金属连接件与通孔内表面之间的交界透过基材。

通过在基材与金属连接件之间形成足够牢固的结合，可减少或消除脱层。设置在基材与金属连接件之间，并且在通孔的内表面上的氦气气密性粘附层可以用于形成这种结合。如本文所用，“粘附层”是指使得金属连接件与基材之间的结合足够得牢固以经受得住从23℃到450℃的热循环的任何层或表面处理。

虽然通过在金属连接件与基材之间形成牢固结合可以防止脱层，但是这种较牢固的结合阻止了金属连接件在热循环期间相对于基材移动。结果，热循环在基材中造成了应力，该应力导致开裂和气密性丧失。

用于预测玻璃中心中的应力场的弹性经典Lame问题的二维(2D)平面应变解如下：

其中，σ_r和σ_θ分别是径向和周向应力，并且ε_T＝(α_f-α_m)ΔT是由于热负荷ΔT导致的错配应变。材料性质α、E和ν是CTE、杨氏模量和泊松比，并且下标f和m分别代表通孔(纤维)和玻璃(基质)。

在热循环中的加热和冷却部分中均可发生失效。在加热期间，最大膨胀错配在最热温度时。基材中的大部分应力在较高温度下为压缩应力，这是因为金属连接件比基材膨胀得更多。在加热期间占主导的玻璃中的周向拉伸应力在金属连接件周围，并且可导致径向开裂。其可扩展到下个通孔。在冷却期间，最大收缩错配在最低温度时。基材中的大部分应力在较低温度下为拉伸应力，这是因为金属连接件比基材收缩得更多。在冷却期间占主导的径向应力可导致开裂。径向应力在表面附近的玻璃中是拉伸应力，其可造成玻璃周向开裂(C裂纹)。对于加热和冷却，沿着界面存在剪切应力可通过脱层而诱导界面失效。

在热循环的冷却部分即将结束时，由于CTE的差异，金属连接件150比基材100收缩得更多。由于金属连接件150粘附于基材100，因此金属连接件150的收缩在基材100上拉动，从而将基材100置于拉伸应力中。在没有足够的自由度供应力释放的情况下，该拉伸应力将在基材100中造成微裂纹，这进而可造成气密性丧失。

本文所述的各个实施方式可以展现出氦气气密性，并且在经受热循环之后不开裂。更具体地，在各个实施方式中，所述制品不含裂纹，并且在加热到450℃的温度及冷却到23℃的温度之前和之后，具有小于10^-5atm*cc/s，或者甚至小于10^-8atm*cc/s的氦气渗透性。在本文所述的各个实施方式中，维持通孔110的最大直径Φ_最大小于或等于30μm提供了氦气气密性，同时能够使基材和金属连接件以不同的速率收缩而不产生足以产生微裂纹的拉伸应力的量。

建模

使用图9的几何结构来建模，其中，用铜保形涂覆通孔的内表面的每一处，但是不涂覆75μm的轴向长度——腰部的每侧上各37.5μm，在该处，通孔一直是填充的。通孔长度为300μm。第一直径和第二直径各自为50μm。从两个表面出发，沿着轴向长度50μm的距离维持50μm的直径。从距离各表面50μm处开始，通孔向内渐缩直到腰部125处的直径为20μm，腰部125是沿着轴向长度的一半。在第一主表面和第二主表面两者上，存在20μm厚的铜覆盖物。预计该建模结果将扩展到在金属连接件中具有腔体，并且具有金属连接件与基材之间不牢固结合的第二轴向部分的其他通孔和金属连接件形状。

在用于制造实际装置的一个工艺流程中，当发生最严重的热循环时，存在包括粘附的铜覆盖物的图29的几何结构。之后，移除铜覆盖物并且可以发生进一步的加工。但是图9的几何结构与此处建模的热循环相关。

该建模基于从Ryu SK,Lu KH,Zhang X,Im JH,Ho PS,Huang R.Impact of near-surface thermal stresses on interfacial reliability of through-silicon viasfor 3-D interconnects(近表面热应力对3D互连的硅通孔界面可靠性的影响)，IEEETransactions on Device and Materials Reliability，2011年3月；11(1):35-(“Ryu”)得到的理论。根据Ryu，当在晶片中设置通孔时，存在用于预测通孔和晶片表面应力的分析解。但是，没有封闭解来预测通过厚度的应力。因此，需要建模。为了建模，对有限板中的单个孤立孔进行建模。假设二维轴对称，并且使用～0.5μm的足够小的网格尺寸。使用ANSYS v.19结构建模软件来进行建模。

对于建模，假设玻璃是弹性的，并且熔凝二氧化硅的性质如下：E(杨氏模量)＝73GPa；v(泊松比)＝0.17以及α(热膨胀系数)＝0.55ppm/℃。假设铜具有弹性完美塑性性质，并且具有温度依赖性屈服应力。图10A示出了图表1000，其例示了弹性完美塑性材料的应力-应变关系。图10B示出了图表1010，其例示了温度依赖性的铜屈服应力。用于建模的铜的弹性性质为：E(杨氏模量)＝121GPa；v(泊松比)＝0.35以及α(热膨胀系数)＝17ppm/℃。还假设包括铜通孔和熔凝二氧化硅的系统在25℃下是无应力状态。该建模在从25℃到400℃并且下降回到25℃的热循环之后计算应力。

如果玻璃开裂，其将首先在第一主应力最大(即，“最大第一主应力”)的地方开裂。参考图9，建模显示了两点处的最高第一主应力。首先，沿着线190——距离氦气气密性粘附层122与基材100之间的界面的短距离，在基材100的表面上具有高的最大主应力。该高应力的第一点对应于在样品中观察到的失效机制——表面中的微裂纹。

第二，在点192处具有最大主应力。该点是诱导裂纹引发和扩展的主应力分量。图11示出了对于不同的铜壁厚度，沿着线190的建模的第一最大主应力和最大径向应力的图。如图11所示，径向应力和第一最大主应力二者的最大值随着温度指数增加。对于厚度大于或等于12μm的涂层，第一最大主应力和最大径向应力相交或者超过阈值(对于图9所示的构造，第一最大主应力的阈值为140MPa并且最大径向应力的阈值为80MPa)。

另外的实验检查了在晶片退火到400℃的最高温度后，对于不同的铜涂层厚度，具有裂纹的通孔的百分比。在第一或第二主表面处测量涂层厚度，并且基于涂层厚度测量值的整数形成组。换言之，组“8μm”包括8.00μm至8.99μm的涂层厚度，组“9μm”包括9.00μm至9.99μm的涂层厚度，以此类推。基于实验数据，直到涂层厚度大于或等于12μm，才在通孔中出现开裂。基于建模和实验数据，确定裂纹形成的阈值应力对应于140MPa的最大第一主应力和80MPa的径向应力。因此，对于低于该应力阈值的值，预计不出现裂纹。

使用140MPa的最大主应力的临界阈值，将建模用于确定完全填充的构造(例如，图2-7中所示的构造)中的所需的无裂纹的通孔直径。使用图9所示的金属化保形铜构造的相同的材料输入来对完全填充的通孔构造进行建模。对于渐缩的构造，使用5:3的渐缩比(最大直径:最小直径)。

为了考虑与模型中使用的网格尺寸相关的应力计算可变性，应用了±10％的误差。因此，使用126MPa的下限来确定在完全填充的通孔中消除裂纹所需的临界通孔直径。

图12是示出了对于部分结合、完全填充的通孔，在通孔周围的预测玻璃表面应力的图。对于图2和6所示的构造(分别为FPV和FCV)，在小于或等于25μm的直径处达到临界应力阈值的下限。然而，图4所示的构造(FTV)在小于或等于17μm的直径处达到临界应力阈值。因此，FCV和FPV通孔形状构造能够具有最大的通孔直径容差，以提供部分结合的无裂纹、气密性、完全填充的通孔。

图13是示出了在完全结合和完全填充的通孔周围的预测玻璃表面应力的图。基于该建模，图3的构造(FPV)在小于或等于27μm的直径处达到了临界应力阈值，图7所示的构造(FCV)在小于或等于30μm的直径处达到了临界应力阈值，并且图5所示的构造在小于或等于19μm的直径处达到了临界应力阈值。表1中概括了不同通孔构造和结合参数的建模结果。

表1：

如从表1呈现的数据可知，完全结合的通孔构造可支持比部分结合的通孔构造更大的直径。不囿于理论，认为在完全结合的构造中，在玻璃的整个厚度中有更大的应力分布，这与部分结合的构造形成了对比，在部分结合的构造中，应力可集中在基材的中心和表面附近。另外，所进行的实验证明，相比于部分结合的构造，完全结合的构造展现出金属连接件从通孔表面突出得更多。

结论

如本文所用，词语“基本由……构成”将权利要求的范围限制到规定的材料或步骤，以及“本质上不影响要求保护的发明的基本和新特征的那些”。

相关领域技术人员应当意识和理解，可以对本文所述的各个实施方式进行各种改变，同时仍然能够获得有益的结果。还显而易见的是，本实施方式的期望益处中的一部分可以通过选择一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员应认识到，许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本公开的一部分。因此，应理解，本公开不限于公开的具体的组合物、制品、装置和方法，另有说明的除外。还应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不是限制性的。附图所示的特征是本说明书所选的实施方式的例示并且不一定以适当的比例描绘。这些附图特征是示例，并非旨在限制。

除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任何方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。