In der Entwicklung der Halbleitergehäusetechnologie waren vertikale Verbindungen stets ein Schlüsselfaktor für Systemleistung, Platzbedarf und Stromverbrauch. Von frühen Drahtbond- und Flip-Chip-Verfahren bis hin zur Entwicklung von 3D-gestapelten ICs strebte die Industrie nach Lösungen mit höherer Dichte und kürzeren Verbindungsleitungen.
In diesem Kontext haben sich TSV (Through Silicon Via) und TGV (Through Glass Via) als zwei gängige vertikale Verbindungstechnologien etabliert. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Materialsystemen, Fertigungsprozessen, Leistungseigenschaften und Anwendungsbereichen und stellen einen Wendepunkt in der Entwicklung von Gehäusen der nächsten Generation dar.
I. TSV: Pionier der 3D-Verpackung
1. Technisches Prinzip
TSV bezeichnet hochaspektverhältnisbehaftete Durchkontaktierungen, die durch ein Siliziumsubstrat geätzt werden (typischerweise einige zehn bis mehrere hundert Mikrometer tief). Anschließend werden die Wände der Durchkontaktierung mit einer Isolierschicht, einer Metallkeimschicht und einer Metallfüllung (üblicherweise Kupfer) versehen. Diese vertikalen Durchkontaktierungen ermöglichen elektrische Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen gestapelten Chipschichten.
2. Prozessablauf
Der typische TSV-Herstellungsprozess umfasst:
Tiefenätzen von Silizium (DRIE): Erzeugung von Durchkontaktierungen mit hohem Aspektverhältnis im Siliziumwafer.
Isolierschichtabscheidung: Üblicherweise wird SiO₂ mittels PECVD abgeschieden, um die Metallfüllung elektrisch vom Siliziumsubstrat zu isolieren.
Keimschichtabscheidung und Galvanisierung: PVD-Abscheidung einer metallischen Keimschicht, gefolgt von einer Kupfergalvanisierung.
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP): Entfernen von überschüssigem Metall, um eine ebene Oberfläche zu erzielen.
3. Vorteile und Einschränkungen
TSV bietet extrem kurze Verbindungswege, geringe Signallatenz, niedrigen Stromverbrauch und hohe Bandbreite und ist damit ein entscheidender Wegbereiter für Hochleistungsrechnen und Speicher mit hoher Bandbreite.
TSV hat jedoch auch Einschränkungen:
Probleme mit thermischer Belastung: Eine große Diskrepanz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium und Kupfer kann die Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
Hohe Prozesskosten: Tiefenätzen, Galvanisieren und CMP sind komplexe und ausbeuteempfindliche Verfahren.
Herausforderungen bei der elektrischen Isolierung: Dicke und Gleichmäßigkeit der Isolierschicht beeinflussen die Durchschlagsfestigkeit direkt.
Mit zunehmender Integrationsdichte von Chips haben Konflikte zwischen Ausbeute und Kosten die Suche nach alternativen Materialien vorangetrieben – und damit die Möglichkeit für TGV geschaffen.
II. TGV: Glasbasierte Verbindungsinnovation
1. Technisches Prinzip
TGV verwendet Glassubstrate anstelle von Silizium. Hochpräzise Durchkontaktierungen werden durch Laserbohren oder Nassätzen hergestellt, gefolgt von der Abscheidung einer Metallkeimschicht und der Galvanisierung, wodurch vertikale Verbindungen ähnlich wie bei TSV erzielt werden.
Glas bietet eine ausgezeichnete elektrische Isolation, eine niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk), geringe dielektrische Verluste (Df) und eine hervorragende Dimensionsstabilität, wodurch TGV für die Hochgeschwindigkeitssignalübertragung und optoelektronische Gehäuse äußerst attraktiv ist.
2. Prozessablauf
Zu den wichtigsten Schritten bei der TGV-Fertigung gehören:
Laserbohren: Ultrakurzpulslaser erzeugen Mikrobohrungen in Glas mit Durchmessern typischerweise im Bereich von 20–150 μm.
Keimschichtabscheidung: Durch PVD-Verfahren, wie z. B. Magnetron-Sputtern, wird eine gleichmäßige leitfähige Schicht auf den Durchkontaktierungswänden abgeschieden.
Metallgalvanisierung: Kupfer oder eine Nickel-Kupfer-Legierung füllt die Durchkontaktierungen, um elektrische Verbindungen durch das Glas herzustellen.
Planarisierung und Strukturierung: Ermöglicht mehrlagige Verbindungen oder Bonding an IC-Chips.
3. Vorteile
Im Vergleich zu TSV weist TGV mehrere Vorteile auf:
Geringe dielektrische Verluste: Die dielektrische Dicke von Glas beträgt etwa 1/3 der von Silizium, wodurch Signalübersprechen und Einfügungsdämpfung reduziert werden.
Ausgezeichnete thermische Stabilität: Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem von Metallen, wodurch thermische Spannungen minimiert werden.
Optische Transparenz: Unterstützt die optoelektronische Integration in Photonik und Sensoren.
Kontrollierbare Kosten: Laserbohren und Glasbearbeitung sind ausgereift und eignen sich für die großflächige Paneelproduktion.
III. TSV vs. TGV: Vergleich und Anwendungsbereiche
| Artikel | TSV (Through Silicon Via) | TGV (Durchglasdurchführung) |
| Substrat | Monokristallines Silizium | Spezialglas (Borofloat, Corning, Schott usw.) |
| Durchmesser der Bohrung | 5–50 μm | 20–150 μm |
| Lochtiefe | 30–100 μm | 100–400 μm |
| Isolierung | Zusätzliche Isolierschicht erforderlich | Glas ist von Natur aus isolierend |
| Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten | Signifikante Unterschiede im Vergleich zu Cu | Ähnlich wie bei Kupfer, geringe thermische Belastung |
| Prozesskosten | Hoch | Relativ niedriger |
| Anwendungen | Logik-/Speicher-3D-Stapelung | SiP, Sensoren, optoelektronische Gehäuse, Antennen, MEMS |
TSV bleibt die gängigste Wahl für das 3D-Stapeln von Hochleistungslogik und Speichern, während TGV in den Bereichen SiP, optoelektronische Integration, Sensoren und HF-Bauelemente rasch expandiert.
Da Glassubstratgrößen das Panel-Level-Packaging (PLP) erreichen, wird TGV zu einer idealen Verbindungsplattform für 5G-Kommunikation, Automobilradar, AR-Optiken und Mini-/Micro-LED-Packaging.
IV. Von Silizium zu Glas: Systemvorteile
Die Einführung von Glas ist nicht bloß ein Materialersatz; sie stellt einen Wandel in der Systemdesignphilosophie dar.
Elektrische Eigenschaften: Niedrig-Dk-Glas reduziert Signalverzögerung und Stromverbrauch deutlich.
Strukturelle Integrität: TGV bietet eine höhere Planarität und geringere Verformung bei großflächigen Gehäusen.
Fertigungsflexibilität: Die Kombination von Laserbearbeitung und Vakuum-PVD ermöglicht eine hohe Prozesskompatibilität und Skalierbarkeit.
Insbesondere für die optoelektronische Integration ermöglicht die optische Transparenz von Glas Gehäusekonstruktionen, bei denen das Substrat nicht nur elektrische Verbindungen, sondern auch Wellenleiter, Linsen und Sensorfenster trägt, was mit TSV schwer zu erreichen ist.
V. ZhenHua Vakuum-TGV-Keimschichtbeschichtungslösung
Gerätevorteile:
Optimierung der Deep Via-Beschichtung: Proprietäre Deep Via-Beschichtungstechnologie, die in der Lage ist, Vias mit einem Durchmesser von nur 30 μm und einem Aspektverhältnis von >10:1 zu bearbeiten und so komplexe Deep Via-Herausforderungen zu meistern.
Anpassbar an verschiedene Größen: Unterstützt Glassubstrate bis einschließlich 600×600 mm, 510×515 mm oder größer.
Prozessflexibilität: Kompatibel mit Cu, Ti, Ni, Pt und anderen leitfähigen oder funktionalen Dünnschichten, um vielfältige Anforderungen an die elektrische Beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erfüllen.
Stabile Leistung und einfache Wartung: Ausgestattet mit intelligenter Steuerung zur automatischen Parameteranpassung und Echtzeitüberwachung der Dickengleichmäßigkeit; modulares Design erleichtert die Wartung und reduziert Ausfallzeiten.
Anwendungsbereich: Geeignet für TGV/TSV/TMV Advanced Packaging, wodurch eine tiefe Via-Seed-Layer-Beschichtung mit einem Aspektverhältnis von 10:1 erreicht wird.
—Dieser Artikel wurde veröffentlicht vonVakuumbeschichtungsanlage Hersteller Zhenhua Vacuum
Veröffentlichungsdatum: 16. Oktober 2025