Ve vývoji technologie pouzder polovodičů byly vertikální propojení vždy klíčovým faktorem určujícím výkon systému, jeho zastavěnou plochu a spotřebu energie. Od raných technik spojování vodičů a flip-chip až po vznik 3D stohovaných integrovaných obvodů hledalo průmysl řešení propojení s vyšší hustotou a kratšími propojeními.
V této souvislosti se TSV (Through Silicon Via) a TGV (Through Glass Via) ukázaly jako dvě hlavní technologie vertikálního propojení. Liší se materiálovými systémy, výrobními procesy, výkonnostními charakteristikami a oblastmi použití a představují klíčový bod ve vývoji obalů nové generace.
I. TSV: Průkopník 3D balení
1. Technický princip
TSV označuje svislé průchody s vysokým poměrem stran vyleptané skrz křemíkový substrát (obvykle desítky až stovky mikronů hluboké), po nichž následuje vytvoření izolační vrstvy, vrstvy kovového zárodku a kovové výplně (obvykle mědi) na stěnách průchodů. Tyto svislé průchody umožňují vysokorychlostní elektrická propojení mezi vrstvenými čipy.
2. Průběh procesu
Typický proces výroby TSV zahrnuje:
Hluboké leptání křemíku (DRIE): Vytvoření průchodů s vysokým poměrem stran v křemíkové destičce.
Nanášení izolační vrstvy: Obvykle se jedná o SiO₂ nanesený metodou PECVD pro elektrickou izolaci kovové výplně od křemíkového substrátu.
Depozice a galvanické pokovování semenné vrstvy: PVD depozice kovové semenné vrstvy s následným galvanickým pokovováním mědí.
Chemicko-mechanické leštění (CMP): Odstranění přebytečného kovu pro dosažení rovnoměrného povrchu.
3. Výhody a omezení
TSV nabízí extrémně krátké propojovací cesty, nízkou latenci signálu, nízkou spotřebu energie a vysokou šířku pásma, což z něj činí klíčový prvek pro vysoce výkonné výpočty a paměti s vysokou šířkou pásma.
TSV má však i tato omezení:
Problémy s tepelným namáháním: Velký rozdíl v součiniteli tepelné roztažnosti (CTE) mezi křemíkem a mědí může snížit spolehlivost.
Vysoké náklady na proces: Hluboké leptání, galvanické pokovování a CMP jsou složité procesy a závislé na výtěžnosti.
Problémy s elektrickou izolací: Tloušťka a rovnoměrnost izolační vrstvy přímo ovlivňují dielektrickou pevnost.
S rostoucí hustotou integrace čipů vedly konflikty mezi výtěžností a náklady k zkoumání alternativních materiálů, což vytvořilo příležitost pro TGV.
II. TGV: Inovace propojení na bázi skla
1. Technický princip
TGV používá skleněné substráty místo křemíku. Vysoce přesné průchody se vytvářejí laserovým vrtáním nebo mokrým leptáním, po kterém následuje nanesení kovové vrstvy a galvanické pokovování, čímž se dosahuje vertikálních propojení podobných jako u TSV.
Sklo nabízí vynikající elektrickou izolaci, nízkou dielektrickou konstantu (Dk), nízké dielektrické ztráty (Df) a vynikající rozměrovou stabilitu, což činí TGV velmi atraktivním pro vysokorychlostní přenos signálu a optoelektronické pouzdra.
2. Průběh procesu
Mezi klíčové kroky při výrobě TGV patří:
Laserové vrtání: Ultrarychlé lasery vytvářejí ve skle mikrootvory o průměru obvykle v rozmezí 20–150 μm.
Nanášení vrstvy semen: PVD, jako je magnetronové naprašování, nanáší na stěny průchodky rovnoměrnou vodivou vrstvu.
Galvanické pokovování kovů: Měď nebo slitina niklu a mědi vyplňuje průchody a vytváří tak elektrická spojení skrz sklo.
Planarizace a strukturování: Umožňuje vícevrstvé propojení nebo spojení s integrovanými obvody.
3. Výhody
Ve srovnání s TSV vykazuje TGV několik výhod:
Nízké dielektrické ztráty: Sklo Dk tvoří asi 1/3 křemíku, což snižuje přeslechy signálu a vložené ztráty.
Vynikající tepelná stabilita: součinitel tepelné roztažnosti (CTE) blízký kovům, minimalizující tepelné namáhání.
Optická průhlednost: Podporuje optoelektronickou integraci ve fotonice a senzorech.
Kontrolovatelné náklady: Vrtání laserem a zpracování skla se vyvíjejí a jsou vhodné pro výrobu velkoplošných panelů.
III. TSV vs. TGV: Srovnání a oblasti použití
| Položka | TSV (průchozí křemíkový průchod) | TGV (průjezdní cesta skrz sklo) |
| Substrát | Monokrystalický křemík | Speciální sklo (Borofloat, Corning, Schott atd.) |
| Průměr otvoru | 5–50 μm | 20–150 μm |
| Hloubka otvoru | 30–100 μm | 100–400 μm |
| Izolace | Nutná další izolační vrstva | Sklo s vnitřní izolací |
| Párování koeficientu tepelné roztažnosti | Významné rozdíly ve srovnání s Cu | Podobné jako Cu, nízké tepelné namáhání |
| Náklady na proces | Vysoký | Relativně nižší |
| Aplikace | Logické/paměťové 3D stohování | SiP, senzory, optoelektronické pouzdra, antény, MEMS |
TSV zůstává hlavní volbou pro vysoce výkonnou logiku a 3D stohování paměti, zatímco TGV se rychle rozšiřuje v oblasti SiP, optoelektronické integrace, senzorů a RF zařízení.
Vzhledem k tomu, že velikosti skleněných substrátů dosahují úrovně pouzder na úrovni panelů (PLP), stává se TGV ideální propojovací platformou pro 5G komunikaci, automobilové radary, AR optiku a pouzdra Mini/Micro LED.
IV. Od křemíku ke sklu: Výhody na úrovni systému
Zavedení skla není pouhou náhradou materiálu; představuje posun ve filozofii designu na systémové úrovni.
Elektrické vlastnosti: Sklo s nízkým součinitelem Dk výrazně snižuje zpoždění signálu a spotřebu energie.
Strukturální integrita: TGV nabízí vyšší rovinnost a nižší deformaci pro velkoplošné balení.
Flexibilita výroby: Laserové zpracování v kombinaci s vakuovým PVD umožňuje vysokou kompatibilitu procesů a škálovatelnost.
Zejména pro optoelektronickou integraci umožňuje optická průhlednost skla návrhy pouzder, kde substrát podporuje nejen elektrická propojení, ale také vlnovody, čočky a senzorová okna, čehož je u TSV obtížné dosáhnout.
V. ZhenHua Vacuum TGV Seed Layer Solution
Výhody zařízení:
Optimalizace hlubokého povlakování průchodů: Patentovaná technologie hlubokého povlakování průchodů schopná zpracovat průchody o velikosti pouhých 30 μm s poměrem stran >10:1 a řeší tak složité problémy s hlubokými průchody.
Přizpůsobitelné pro různé velikosti: Podporuje skleněné substráty včetně rozměrů 600×600 mm, 510×515 mm nebo větších.
Flexibilita procesu: Kompatibilní s tenkými vodivými nebo funkčními filmy Cu, Ti, Ni, Pt a dalšími vodivými nebo funkčními materiály pro splnění různých požadavků na elektrickou odolnost a odolnost proti korozi.
Stabilní výkon a snadná údržba: Vybaven inteligentním ovládáním pro automatické nastavení parametrů a sledování rovnoměrnosti tloušťky v reálném čase; modulární konstrukce usnadňuje údržbu a zkracuje prostoje.
Oblast použití: Vhodné pro pokročilé balení TGV/TSV/TMV, dosahující hlubokého povlaku přes vrstvu semen s poměrem stran 10:1.
—Tento článek byl publikovánzařízení pro vakuové lakování výrobce Zhenhua Vacuum
Čas zveřejnění: 16. října 2025