Dans l'évolution des technologies d'encapsulation des semi-conducteurs, les interconnexions verticales ont toujours été un facteur déterminant des performances, de l'encombrement et de la consommation énergétique des systèmes. Des premières techniques de câblage et de retournement de puce à l'émergence des circuits intégrés 3D empilés, l'industrie a recherché des solutions d'interconnexion plus denses et plus courtes.
Dans ce contexte, les interconnexions verticales TSV (Through Silicon Via) et TGV (Through Glass Via) se sont imposées comme deux technologies majeures. Elles diffèrent par leurs matériaux, leurs procédés de fabrication, leurs performances et leurs domaines d'application, et constituent un tournant décisif dans le développement des boîtiers de nouvelle génération.
I. TSV : Pionnier de l’emballage 3D
1. Principe technique
Les TSV (Transferts Interconnexion Visuels) sont des vias à fort rapport d'aspect gravés dans un substrat de silicium (généralement de quelques dizaines à quelques centaines de microns de profondeur), suivis de la formation d'une couche isolante, d'une couche d'amorçage métallique et d'un remplissage métallique (généralement du cuivre) sur les parois du via. Ces vias verticaux permettent des interconnexions électriques à haut débit entre les couches superposées de la puce.
2. Flux de processus
Le processus de fabrication typique des TSV comprend :
Gravure profonde du silicium (DRIE) : Créer des vias à rapport d’aspect élevé dans la plaquette de silicium.
Dépôt de couche isolante : Généralement, du SiO₂ déposé par PECVD pour isoler électriquement le remplissage métallique du substrat de silicium.
Dépôt de couche d'amorçage et électroplacage : dépôt PVD d'une couche d'amorçage métallique suivi d'un électroplacage de cuivre.
Polissage chimico-mécanique (CMP) : élimine l’excès de métal pour obtenir une surface plane.
3. Avantages et limites
La technologie TSV offre des chemins d'interconnexion extrêmement courts, une faible latence de signal, une faible consommation d'énergie et une bande passante élevée, ce qui en fait un élément essentiel pour le calcul haute performance et la mémoire à large bande passante.
Cependant, TSV présente également des limitations :
Problèmes de contraintes thermiques : Un écart important de coefficient de dilatation thermique entre le silicium et le cuivre peut réduire la fiabilité.
Coût élevé du procédé : la gravure profonde, la galvanoplastie et le polissage chimico-mécanique sont des procédés complexes et sensibles au rendement.
Défis liés à l'isolation électrique : l'épaisseur et l'uniformité de la couche isolante affectent directement la rigidité diélectrique.
Avec l'augmentation de la densité d'intégration des puces, les conflits entre rendement et coût ont stimulé la recherche de matériaux alternatifs, créant ainsi l'opportunité pour le TGV.
II. TGV : Innovation en matière d’interconnexion à base de verre
1. Principe technique
La technologie TGV utilise des substrats en verre au lieu du silicium. Des vias de haute précision sont formés par perçage laser ou gravure chimique, suivis du dépôt d'une couche d'amorçage métallique et d'une électrodéposition, permettant ainsi de réaliser des interconnexions verticales similaires aux TSV.
Le verre offre une excellente isolation électrique, une faible constante diélectrique (Dk), de faibles pertes diélectriques (Df) et une stabilité dimensionnelle exceptionnelle, ce qui rend le TGV très attractif pour la transmission de signaux à grande vitesse et l'encapsulation optoélectronique.
2. Flux de processus
Les principales étapes de la fabrication d'un TGV comprennent :
Perçage laser : des lasers ultrarapides forment des microvias dans le verre avec des diamètres généralement compris entre 20 et 150 µm.
Dépôt de couche d'amorçage : Le PVD, tel que la pulvérisation cathodique magnétronique, dépose une couche conductrice uniforme sur les parois des vias.
Galvanoplastie métallique : du cuivre ou un alliage nickel-cuivre remplit les vias pour former des connexions électriques à travers le verre.
Planarisation et structuration : permet des interconnexions multicouches ou le collage sur des puces de circuits intégrés.
3. Avantages
Comparé au TSV, le TGV présente plusieurs avantages :
Faibles pertes diélectriques : la constante diélectrique du verre est environ 1/3 de celle du silicium, réduisant ainsi la diaphonie et les pertes d’insertion.
Excellente stabilité thermique : coefficient de dilatation thermique proche de celui des métaux, minimisant les contraintes thermiques.
Transparence optique : Permet l'intégration optoélectronique dans la photonique et les capteurs.
Coût maîtrisable : le perçage laser et le traitement du verre sont des procédés matures, adaptés à la production de panneaux de grande surface.
III. TSV vs TGV : Comparaison et domaines d’application
| Article | TSV (Through Silicon Via) | TGV (Through Glass Via) |
| Substrat | silicium monocristallin | Verres spéciaux (Borofloat, Corning, Schott, etc.) |
| Diamètre du trou | 5–50 μm | 20–150 μm |
| Profondeur du trou | 30–100 μm | 100–400 μm |
| Isolation | Couche isolante supplémentaire requise | Le verre est intrinsèquement isolant. |
| Adaptation du coefficient de dilatation thermique | Différences significatives par rapport au cuivre | Similaire au cuivre, faible contrainte thermique |
| Coût du processus | Haut | Relativement inférieur |
| Applications | Empilement 3D logique/mémoire | SiP, capteurs, boîtiers optoélectroniques, antennes, MEMS |
La technologie TSV reste le choix privilégié pour l'empilement 3D de logique et de mémoire haute performance, tandis que la technologie TGV se développe rapidement dans les domaines du SiP, de l'intégration optoélectronique, des capteurs et des dispositifs RF.
Avec des substrats en verre de taille atteignant le niveau d'encapsulation des panneaux (PLP), le TGV devient une plateforme d'interconnexion idéale pour la communication 5G, les radars automobiles, l'optique AR et l'encapsulation Mini/Micro LED.
IV. Du silicium au verre : avantages au niveau du système
L'introduction du verre ne se limite pas à un simple remplacement de matériau ; elle représente un changement de philosophie dans la conception du système.
Performances électriques : Le verre à faible constante diélectrique réduit considérablement le délai de signal et la consommation d'énergie.
Intégrité structurelle : TGV offre une planéité supérieure et une déformation moindre pour les emballages de grande surface.
Flexibilité de fabrication : Le traitement laser combiné au dépôt physique en phase vapeur sous vide (PVD) permet une compatibilité et une évolutivité élevées des processus.
En particulier, pour l'intégration optoélectronique, la transparence optique du verre permet des conceptions d'emballage où le substrat supporte non seulement les interconnexions électriques, mais aussi les guides d'ondes, les lentilles et les fenêtres de capteurs, ce qui est difficile à réaliser avec les TSV.
Solution de revêtement de couche d'ensemencement V. ZhenHua TGV sous vide
Avantages de l'équipement :
Optimisation du revêtement des vias profonds : Technologie de revêtement de vias profonds exclusive capable de traiter des vias aussi petits que 30 µm avec un rapport d’aspect > 10:1, répondant aux défis complexes des vias profonds.
Personnalisable pour différentes tailles : Prend en charge les substrats en verre, y compris 600×600 mm, 510×515 mm ou plus grands.
Flexibilité du procédé : Compatible avec le Cu, le Ti, le Ni, le Pt et d’autres films minces conducteurs ou fonctionnels pour répondre à diverses exigences en matière de résistance électrique et à la corrosion.
Performances stables et maintenance facile : Doté d'une commande intelligente pour le réglage automatique des paramètres et la surveillance en temps réel de l'uniformité de l'épaisseur ; sa conception modulaire facilite la maintenance et réduit les temps d'arrêt.
Domaine d'application : Convient pour l'encapsulation avancée TGV/TSV/TMV, permettant un revêtement de couche d'amorçage de via profonde avec un rapport d'aspect de 10:1.
—Cet article a été publié paréquipement de revêtement sous vide fabricant Zhenhua Vacuum
Date de publication : 16 octobre 2025