TSVからTGVへ：スルービア相互接続における材料の進化と製造上の違い

半導体パッケージング技術の進化において、垂直配線は常にシステム性能、設置面積、消費電力を決定づける重要な要素であった。初期のワイヤボンディングやフリップチップ技術から、3D積層ICの登場に至るまで、業界はより高密度でより短い配線ソリューションを追求してきた。

このような背景から、TSV（Through Silicon Via）とTGV（Through Glass Via）は、2つの主要な垂直相互接続技術として台頭してきました。これらは、材料系、製造プロセス、性能特性、および応用分野において異なり、次世代パッケージ開発における重要な転換点となっています。

I. TSV：3Dパッケージングのパイオニア
1. 技術原理

TSVとは、シリコン基板を貫通してエッチングされた高アスペクト比のビア（通常、深さは数十～数百ミクロン）のことで、ビア壁に絶縁層、金属シード層、および金属充填層（通常は銅）が形成されます。これらの垂直ビアにより、積層されたチップ層間の高速電気接続が可能になります。

2. プロセスフロー

一般的なTSV製造プロセスは以下のとおりです。

深掘りシリコンエッチング（DRIE）：シリコンウェハに高アスペクト比のビアを形成する。

絶縁層の成膜：通常はPECVD法で成膜されたSiO₂を用いて、金属充填層をシリコン基板から電気的に絶縁する。

シード層形成と電気めっき：PVD法による金属シード層の成膜後、銅の電気めっきを行う。

化学機械研磨（CMP）：余分な金属を除去し、平坦な表面を実現する。

3．利点と限界

TSVは、極めて短い相互接続経路、低い信号遅延、低い消費電力、および高い帯域幅を提供するため、高性能コンピューティングと高帯域幅メモリを実現するための重要な技術となっている。

しかし、TSVには限界もある。

熱応力の問題：シリコンと銅の熱膨張係数の大きな不一致は、信頼性を低下させる可能性がある。

高いプロセスコスト：深掘りエッチング、電気めっき、CMPは複雑で、歩留まりに左右される。

電気絶縁における課題：絶縁層の厚さと均一性は、絶縁耐力に直接影響する。

チップの集積密度が高まるにつれて、歩留まりとコストの間のトレードオフが代替材料の探求を促し、TGVの機会を生み出した。

II. TGV：ガラスベースの相互接続技術革新
1. 技術原理

TGVはシリコンの代わりにガラス基板を使用する。レーザー加工またはウェットエッチングによって高精度なビアを形成し、その後、金属シード層の成膜と電気めっきを行うことで、TSVと同様の垂直相互接続を実現する。

ガラスは優れた電気絶縁性、低い誘電率（Dk）、低い誘電損失（Df）、そして卓越した寸法安定性を備えているため、TGVは高速信号伝送や光電子パッケージングにおいて非常に魅力的な素材となっている。

2. プロセスフロー

TGV製造における主な工程は以下のとおりです。

レーザー穴あけ：超高速レーザーを用いて、ガラスに直径20～150μm程度の微細な穴（マイクロビア）を形成する。

シード層の成膜：マグネトロンスパッタリングなどのPVDにより、ビア壁面に均一な導電層が成膜される。

金属電気めっき：銅またはニッケル銅合金がビアを埋め込み、ガラスを貫通する電気接続を形成する。

平坦化とパターニング：多層相互接続やICチップへのボンディングを可能にする。

3. 利点

TSVと比較して、TGVにはいくつかの利点がある。

低い誘電損失：ガラスの誘電率（Dk）はシリコンの約3分の1であり、信号のクロストークと挿入損失を低減します。

優れた熱安定性：金属に近い熱膨張係数により、熱応力を最小限に抑えます。

光学的透明性：フォトニクスおよびセンサーにおける光電子集積化をサポートする。

コスト管理が可能：レーザー穴あけ加工とガラス加工技術は成熟しつつあり、大面積パネルレベルの生産に適している。

III. TSVとTGVの比較と応用分野

TSVは高性能ロジックおよびメモリの3Dスタッキングにおいて依然として主流の選択肢である一方、TGVはSiP、光電子集積、センサー、RFデバイスの分野で急速に普及しつつある。

ガラス基板のサイズがパネルレベルパッケージング（PLP）にまで拡大したことで、TGVは5G通信、車載レーダー、AR光学、ミニ/マイクロLEDパッケージングにとって理想的な相互接続プラットフォームになりつつある。

IV．シリコンからガラスへ：システムレベルのメリット

ガラスの導入は単なる材料の置き換えではなく、システムレベルの設計思想における転換を意味する。

電気的性能：低誘電率ガラスは、信号遅延と消費電力を大幅に削減します。

構造的完全性：TGVは、大面積パッケージングにおいて、より高い平面度とより低い反りを提供します。

製造の柔軟性：レーザー加工と真空PVDを組み合わせることで、高いプロセス互換性と拡張性を実現します。

特に光電子集積化においては、ガラスの光透過性により、基板上に電気相互接続だけでなく、導波路、レンズ、センサーウィンドウなども配置できるパッケージ設計が可能となる。これはTSVでは実現が難しい。

V. ZhenHua 真空TGVシード層コーティング溶液

機器の利点：

深層ビアコーティングの最適化：独自の深層ビアコーティング技術により、アスペクト比が10:1を超える30μmという微細なビアにも対応し、複雑な深層ビアの課題を解決します。

様々なサイズに対応可能：600×600mm、510×515mm、またはそれ以上のサイズのガラス基板に対応します。

プロセスの柔軟性：銅、チタン、ニッケル、白金、その他の導電性または機能性薄膜に対応し、多様な電気的特性および耐腐食性要件を満たすことができます。

安定した性能と容易なメンテナンス：自動パラメータ調整と厚み均一性のリアルタイム監視のためのスマート制御を搭載。モジュール設計によりメンテナンスが容易になり、ダウンタイムを削減します。

適用範囲：TGV/TSV/TMV先進パッケージングに適しており、10:1のアスペクト比で深層ビアシード層コーティングを実現します。

—この記事は以下によって公開されました真空コーティング装置 メーカー：Zhenhua Vacuum