من تقنية TSV إلى تقنية TGV: تطور المواد والاختلافات التصنيعية في وصلات التوصيل عبر الثقوب

في تطور تكنولوجيا تغليف أشباه الموصلات، لطالما شكلت الوصلات الرأسية عاملاً أساسياً في تحديد أداء النظام وحجمه واستهلاكه للطاقة. فمنذ تقنيات توصيل الأسلاك وتقنية الرقائق المقلوبة وحتى ظهور الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد المكدسة، سعى القطاع إلى إيجاد حلول ذات كثافة أعلى ووصلات أقصر.

في هذا السياق، برزت تقنيتا TSV (الوصلات عبر السيليكون) وTGV (الوصلات عبر الزجاج) كتقنيتين رئيسيتين للربط الرأسي. وتختلفان في أنظمة المواد وعمليات التصنيع وخصائص الأداء ومجالات التطبيق، مما يمثل نقطة محورية في تطوير الجيل القادم من تقنيات التغليف.

شركة TSV: رائدة في مجال التغليف ثلاثي الأبعاد
1. المبدأ التقني

يشير مصطلح TSV إلى الثقوب ذات النسبة العالية بين الطول والعرض، والتي تُحفر عبر ركيزة من السيليكون (عادةً بعمق يتراوح بين عشرات ومئات الميكرونات)، يليها تكوين طبقة عازلة، وطبقة بذرة معدنية، وحشو معدني (عادةً من النحاس) على جدران الثقب. تُمكّن هذه الثقوب الرأسية من توصيلات كهربائية عالية السرعة بين طبقات الرقاقة المكدسة.

2. مخطط سير العمل

تتضمن عملية تصنيع TSV النموذجية ما يلي:

الحفر العميق للسيليكون (DRIE): إنشاء فتحات ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية في رقاقة السيليكون.

ترسيب الطبقة العازلة: عادةً ما يتم ترسيب SiO₂ باستخدام PECVD لعزل الحشو المعدني كهربائياً عن ركيزة السيليكون.

ترسيب طبقة البذور والطلاء الكهربائي: ترسيب طبقة بذور معدنية بتقنية الترسيب الفيزيائي للبخار متبوعًا بالطلاء الكهربائي للنحاس.

التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP): إزالة المعدن الزائد لتحقيق سطح مستوٍ.

3. المزايا والعيوب

توفر تقنية TSV مسارات ربط قصيرة للغاية، وزمن استجابة منخفض للإشارة، واستهلاك منخفض للطاقة، وعرض نطاق ترددي عالٍ، مما يجعلها عاملاً تمكينياً بالغ الأهمية للحوسبة عالية الأداء والذاكرة ذات النطاق الترددي العالي.

ومع ذلك، فإن تقنية TSV لها أيضًا قيود:

مشاكل الإجهاد الحراري: يمكن أن يؤدي التباين الكبير في معامل التمدد الحراري بين السيليكون والنحاس إلى تقليل الموثوقية.

تكلفة العملية العالية: عمليات الحفر العميق والطلاء الكهربائي والتلميع الكيميائي الميكانيكي معقدة وحساسة للإنتاجية.

تحديات العزل الكهربائي: يؤثر سمك وتجانس طبقة العزل بشكل مباشر على قوة العزل الكهربائي.

مع ازدياد كثافة تكامل الرقائق، دفعت الصراعات بين الإنتاجية والتكلفة إلى استكشاف مواد بديلة، مما خلق الفرصة لتقنية TGV.

ثانيًا: TGV: ابتكارات الربط البيني القائمة على الزجاج
1. المبدأ التقني

تستخدم تقنية TGV ركائز زجاجية بدلاً من السيليكون. يتم تشكيل الثقوب عالية الدقة عن طريق الحفر بالليزر أو الحفر الرطب، متبوعًا بترسيب طبقة بذرة معدنية والطلاء الكهربائي، مما يحقق وصلات رأسية مماثلة لتقنية TSV.

يوفر الزجاج عزلًا كهربائيًا ممتازًا، وثابت عزل منخفض (Dk)، وفقدان عزل منخفض (Df)، واستقرارًا أبعادًا متميزًا، مما يجعل TGV جذابًا للغاية لنقل الإشارات عالية السرعة والتغليف الإلكتروني الضوئي.

2. مخطط سير العمل

تشمل الخطوات الرئيسية في تصنيع قطارات TGV ما يلي:

الحفر بالليزر: تقوم أشعة الليزر فائقة السرعة بتشكيل ثقوب دقيقة في الزجاج بأقطار تتراوح عادة من 20 إلى 150 ميكرومتر.

ترسيب طبقة البذور: ترسيب طبقة موصلة موحدة على جدران الوصلات باستخدام تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD)، مثل الترسيب بالرش المغناطيسي.

الطلاء الكهربائي للمعادن: يتم ملء الفتحات بالنحاس أو سبيكة النيكل والنحاس لتشكيل وصلات كهربائية عبر الزجاج.

التسوية والتشكيل: تُمكّن من التوصيلات البينية متعددة الطبقات أو الربط برقائق الدوائر المتكاملة.

3. المزايا

بالمقارنة مع تقنية TSV، تُظهر تقنية TGV العديد من المزايا:

فقدان عازل منخفض: يبلغ فقدان العازل الزجاجي حوالي ثلث فقدان السيليكون، مما يقلل من تداخل الإشارة وفقدان الإدخال.

استقرار حراري ممتاز: معامل التمدد الحراري قريب من المعادن، مما يقلل من الإجهاد الحراري.

الشفافية البصرية: تدعم التكامل الكهروضوئي في مجال الفوتونيات وأجهزة الاستشعار.

تكلفة قابلة للتحكم: إن عمليات الحفر بالليزر ومعالجة الزجاج في مراحلها النهائية، وهي مناسبة للإنتاج على مستوى الألواح ذات المساحة الكبيرة.

ثالثًا: مقارنة بين قطارات TSV وقطارات TGV ومجالات تطبيقها

لا تزال تقنية TSV هي الخيار السائد لتكديس الذاكرة والمنطق عالي الأداء ثلاثي الأبعاد، بينما تتوسع تقنية TGV بسرعة في SiP، والتكامل الكهروضوئي، وأجهزة الاستشعار، وأجهزة الترددات اللاسلكية.

مع وصول أحجام الركائز الزجاجية إلى مستوى تغليف اللوحة (PLP)، أصبحت تقنية TGV منصة ربط مثالية لاتصالات الجيل الخامس، ورادار السيارات، وبصريات الواقع المعزز، وتغليف مصابيح LED الصغيرة/الميكروية.

رابعًا: من السيليكون إلى الزجاج: فوائد على مستوى النظام

إن إدخال الزجاج ليس مجرد استبدال للمادة؛ بل يمثل تحولاً في فلسفة تصميم النظام على مستوى النظام.

الأداء الكهربائي: يقلل الزجاج ذو ثابت العزل الكهربائي المنخفض بشكل كبير من تأخير الإشارة واستهلاك الطاقة.

السلامة الهيكلية: يوفر نظام TGV مستوى أعلى من التسطيح وتشوهًا أقل للتغليف ذي المساحة الكبيرة.

مرونة التصنيع: تتيح المعالجة بالليزر المقترنة بتقنية الترسيب الفيزيائي للبخار الفراغي توافقًا عاليًا مع العملية وقابلية التوسع.

على وجه الخصوص، بالنسبة للتكامل الكهروضوئي، فإن الشفافية البصرية للزجاج تتيح تصميمات التغليف حيث لا تدعم الركيزة التوصيلات الكهربائية فحسب، بل تدعم أيضًا الموجهات والعدسات ونوافذ المستشعرات، وهو أمر يصعب تحقيقه باستخدام تقنية TSV.

محلول طلاء طبقة البذور الفراغية TGV من شركة V. ZhenHua

مزايا المعدات:

تحسين طلاء الثقوب العميقة: تقنية طلاء الثقوب العميقة الخاصة القادرة على التعامل مع الثقوب الصغيرة التي تصل إلى 30 ميكرومتر بنسبة عرض إلى ارتفاع >10:1، مما يعالج تحديات الثقوب العميقة المعقدة.

قابل للتخصيص لأحجام مختلفة: يدعم الركائز الزجاجية بما في ذلك 600 × 600 مم، 510 × 515 مم، أو أكبر.

مرونة العملية: متوافق مع النحاس والتيتانيوم والنيكل والبلاتين والأغشية الرقيقة الموصلة أو الوظيفية الأخرى لتلبية متطلبات المقاومة الكهربائية والتآكل المتنوعة.

أداء مستقر وصيانة سهلة: مزود بنظام تحكم ذكي لضبط المعلمات تلقائيًا ومراقبة توحيد السماكة في الوقت الفعلي؛ التصميم المعياري يسهل الصيانة ويقلل من وقت التوقف.

نطاق التطبيق: مناسب للتغليف المتقدم TGV/TSV/TMV، مما يحقق طلاء طبقة البذور العميقة بنسبة عرض إلى ارتفاع 10:1.

— نُشر هذا المقال بواسطةمعدات الطلاء بالتفريغ شركة Zhenhua Vacuum المصنعة للمكانس الكهربائية