באבולוציה של טכנולוגיית אריזת מוליכים למחצה, חיבורים אנכיים תמיד היו גורם מפתח בקביעת ביצועי המערכת, טביעת הרגל וצריכת החשמל. החל מטכניקות חיבור חוטים מוקדמות וטכניקות שבב-Flip ועד להופעתם של מעגלים משולבים תלת-ממדיים מוערמים, התעשייה חיפשה פתרונות חיבור בצפיפות גבוהה יותר וקצרים יותר.
בהקשר זה, TSV (דרך סיליקון ויה) ו-TGV (דרך זכוכית ויה) צצו כשתי טכנולוגיות חיבור אנכיות מרכזיות. הן נבדלות במערכות החומרים, בתהליכי הייצור, במאפייני הביצועים ובתחומי היישום, ומייצגות נקודה מרכזית בפיתוח אריזות מהדור הבא.
א. TSV: חלוץ אריזות תלת-ממדיות
1. עיקרון טכני
TSV מתייחס ל-vias בעלי יחס גובה-רוחב גבוה (גובה-רוחב) החרוטים דרך מצע סיליקון (בדרך כלל בעומק של עשרות עד מאות מיקרונים), ולאחר מכן נוצרת שכבת בידוד, שכבת זרעי מתכת ומילוי מתכת (בדרך כלל נחושת) על דפנות ה-via. ויאים אנכיים אלה מאפשרים חיבורים חשמליים במהירות גבוהה בין שכבות שבבים מוערמות.
2. זרימת התהליך
תהליך ייצור טיפוסי של TSV כולל:
איכול סיליקון עמוק (DRIE): יצירת ויות בעלות יחס גובה-רוחב גבוה בפרוסת הסיליקון.
שקיעת שכבת בידוד: בדרך כלל SiO₂ המופקד ב-PECVD לבידוד חשמלי של מילוי המתכת ממצע הסיליקון.
שקיעת שכבת גרעין וציפוי אלקטרוליטי: שקיעת PVD של שכבת גרעין מתכת ולאחר מכן ציפוי אלקטרוליטי בנחושת.
ליטוש כימי-מכני (CMP): הסרת מתכת עודפת כדי להשיג משטח ישר.
3. יתרונות ומגבלות
TSV מציע נתיבי חיבור קצרים במיוחד, השהיית אות נמוכה, צריכת חשמל נמוכה ורוחב פס גבוה, מה שהופך אותו לגורם מאפשר קריטי למחשוב בעל ביצועים גבוהים וזיכרון ברוחב פס גבוה.
עם זאת, ל-TSV יש גם מגבלות:
בעיות של עומס תרמי: אי התאמה גדולה ב-CTE בין סיליקון לנחושת יכולה להפחית את האמינות.
עלות תהליך גבוהה: איכול עמוק, ציפוי אלקטרוליטי ו-CMP הם מורכבים ורגישים לתפוקה.
אתגרי בידוד חשמלי: עובי ואחידות שכבת הבידוד משפיעים ישירות על החוזק הדיאלקטרי.
ככל שצפיפות שילוב השבבים עולה, קונפליקטים בין תפוקה לעלות הניעו את החקירה של חומרים חלופיים - מה שיצר הזדמנות עבור TGV.
II. TGV: חדשנות חיבור מבוססת זכוכית
1. עיקרון טכני
TGV משתמש במצעי זכוכית במקום בסיליקון. ויאים מדויקים נוצרים על ידי קידוח לייזר או איכול רטוב, ולאחר מכן שיקוע של שכבת זרעי מתכת וציפוי אלקטרוליטי, ומשיגים חיבורים אנכיים בדומה ל-TSV.
זכוכית מציעה בידוד חשמלי מעולה, קבוע דיאלקטרי נמוך (Dk), הפסד דיאלקטרי נמוך (Df) ויציבות ממדית יוצאת דופן, מה שהופך את TGV לאטרקטיבי ביותר עבור העברת אותות במהירות גבוהה ואריזות אופטואלקטרוניות.
2. זרימת התהליך
שלבים מרכזיים בייצור TGV כוללים:
קידוח לייזר: לייזרים אולטרה-מהירים יוצרים מיקרו-ויאסים בזכוכית בקטרים שנעים בדרך כלל בין 20 ל-150 מיקרון.
שקיעת שכבת זרעים: PVD, כגון התזה מגנטרונית, יוצר שכבה מוליכה אחידה על דפנות הוויה.
ציפוי מתכת אלקטרוליטי: סגסוגת נחושת או ניקל-נחושת ממלאת את ה-vias ליצירת חיבורים חשמליים דרך הזכוכית.
פלנריזציה ותבניות: מאפשר חיבורים רב-שכבתיים או קשירה לשבבי IC.
3. יתרונות
בהשוואה ל-TSV, ל-TGV מספר יתרונות:
אובדן דיאלקטרי נמוך: זכוכית Dk היא כשליש מסיליקון, מה שמפחית את מעבר האות ואת אובדן ההכנסה.
יציבות תרמית מעולה: CTE קרוב למתכות, ממזער את הלחץ התרמי.
שקיפות אופטית: תומכת באינטגרציה אופטואלקטרונית בפוטוניקה ובחיישנים.
עלות נשלטת: קידוח לייזר ועיבוד זכוכית מתפתחים, ומתאימים לייצור ברמת פאנלים בשטח גדול.
III. TSV לעומת TGV: השוואה ותחומי יישום
| פָּרִיט | TSV (דרך סיליקון ויה) | TGV (דרך זכוכית) |
| מצע | סיליקון חד-קריסטלי | זכוכית מיוחדת (Borofloat, Corning, Schott וכו') |
| קוטר החור | 5–50 מיקרומטר | 20–150 מיקרומטר |
| עומק החור | 30–100 מיקרומטר | 100–400 מיקרומטר |
| בִּדוּד | נדרשת שכבת בידוד נוספת | זכוכית מבודדת באופן מהותי |
| התאמת מקדם התפשטות תרמית | הבדלים משמעותיים בהשוואה ל-Cu | בדומה ל-Cu, מתח תרמי נמוך |
| עלות התהליך | גָבוֹהַ | יחסית נמוך יותר |
| יישומים | הערמה תלת-ממדית של לוגיקה/זיכרון | SiP, חיישנים, זיווד אופטואלקטרוני, אנטנות, MEMS |
TSV נותר הבחירה המרכזית עבור לוגיקה בעלת ביצועים גבוהים וערימה תלת-ממדית של זיכרון, בעוד TGV מתרחב במהירות בתחומי SiP, אינטגרציה אופטואלקטרונית, חיישנים והתקני RF.
עם גדלי מצע זכוכית המגיעים לאריזת רמת פאנל (PLP), TGV הופך לפלטפורמת חיבור אידיאלית עבור תקשורת 5G, מכ"ם לרכב, אופטיקה של מציאות רבודה ואריזת מיני/מיקרו LED.
IV. מסיליקון לזכוכית: יתרונות ברמת המערכת
הכנסת הזכוכית אינה רק תחליף חומר; היא מייצגת שינוי בפילוסופיית התכנון ברמת המערכת.
ביצועים חשמליים: זכוכית בעלת DK נמוך מפחיתה משמעותית את עיכוב האות ואת צריכת החשמל.
שלמות מבנית: TGV מציע מישוריות גבוהה יותר ועיוות נמוך יותר עבור אריזה בשטח גדול.
גמישות ייצור: עיבוד לייזר בשילוב עם PVD בוואקום מאפשר תאימות וגמישות גבוהה לתהליכים.
בפרט, עבור אינטגרציה אופטואלקטרונית, השקיפות האופטית של זכוכית מאפשרת עיצובי אריזה שבהם המצע תומך לא רק בחיבורים חשמליים אלא גם במוליכי גל, עדשות וחלונות חיישנים, דבר שקשה להשיג עם TSV.
תמיסת ציפוי שכבת זרעים בוואקום TGV של V. ZhenHua
יתרונות הציוד:
אופטימיזציה של ציפוי ויה עמוק: טכנולוגיית ציפוי ויה עמוקה קניינית המסוגלת לטפל בוויות קטנות עד 30 מיקרון עם יחס גובה-רוחב של >10:1, ומתמודדת עם אתגרים מורכבים של ויה עמוקה.
ניתן להתאמה אישית לגדלים שונים: תומך במצעי זכוכית כולל 600×600 מ"מ, 510×515 מ"מ ומעלה.
גמישות בתהליך: תואם לשכבות דקות של נחושת, טיטניום, ניקל, פטומט ושכבות דקות מוליכות או פונקציונליות אחרות כדי לעמוד בדרישות מגוונות של עמידות חשמלית וקורוזיה.
ביצועים יציבים ותחזוקה קלה: מצויד בבקרה חכמה להתאמת פרמטרים אוטומטית וניטור בזמן אמת של אחידות העובי; עיצוב מודולרי מקל על התחזוקה ומפחית את זמן ההשבתה.
היקף יישום: מתאים לאריזות מתקדמות TGV/TSV/TMV, להשגת ציפוי עמוק של שכבת הזרעים ביחס גובה-רוחב של 10:1.
—מאמר זה פורסם על ידיציוד ציפוי ואקום יצרן Zhenhua Vacuum
זמן פרסום: 16 באוקטובר 2025