반도체 패키징 기술의 발전 과정에서 수직 상호 연결은 시스템 성능, 크기 및 전력 소비를 결정하는 핵심 요소였습니다. 초기 와이어 본딩 및 플립칩 기술부터 3D 적층형 IC의 등장에 이르기까지, 업계는 더 높은 밀도와 더 짧은 상호 연결 솔루션을 끊임없이 모색해 왔습니다.
이러한 맥락에서 TSV(Through Silicon Via)와 TGV(Through Glass Via)는 두 가지 주요 수직 상호 연결 기술로 부상했습니다. 이 두 기술은 재료 시스템, 제조 공정, 성능 특성 및 응용 분야에서 차이를 보이며 차세대 패키징 개발의 중요한 전환점이 되고 있습니다.
I. TSV: 3D 패키징의 선구자
1. 기술적 원칙
TSV는 실리콘 기판을 관통하여 형성된 높은 종횡비의 수직 비아(일반적으로 수십에서 수백 마이크론 깊이)를 의미하며, 비아 벽면에는 절연층, 금속 시드층, 그리고 금속 충전층(일반적으로 구리)이 차례로 형성됩니다. 이러한 수직 비아는 적층된 칩 층 간의 고속 전기적 연결을 가능하게 합니다.
2. 프로세스 흐름
일반적인 TSV 제작 공정은 다음과 같습니다.
심층 실리콘 에칭(DRIE): 실리콘 웨이퍼에 높은 종횡비의 비아를 생성합니다.
절연층 증착: 일반적으로 PECVD 방식으로 증착된 SiO₂는 금속 충전재와 실리콘 기판을 전기적으로 절연하는 역할을 합니다.
시드층 증착 및 전기 도금: PVD 방식으로 금속 시드층을 증착한 후 구리 전기 도금을 실시합니다.
화학적 기계적 연마(CMP): 과도한 금속을 제거하여 평평한 표면을 얻습니다.
3. 장점 및 한계점
TSV는 매우 짧은 상호 연결 경로, 낮은 신호 지연 시간, 낮은 전력 소비 및 높은 대역폭을 제공하여 고성능 컴퓨팅 및 고대역폭 메모리를 구현하는 데 필수적인 요소입니다.
하지만 TSV에도 한계점이 있습니다.
열 응력 문제: 실리콘과 구리 사이의 열팽창 계수(CTE) 차이가 클 경우 신뢰성이 저하될 수 있습니다.
높은 공정 비용: 심층 에칭, 전기 도금 및 CMP는 복잡하고 수율에 민감합니다.
전기 절연 문제: 절연층의 두께와 균일성은 절연 강도에 직접적인 영향을 미칩니다.
칩 집적 밀도가 증가함에 따라 수율과 비용 간의 충돌이 발생하여 대체 재료에 대한 탐색이 촉진되었고, 이것이 TGV에 대한 기회를 창출했습니다.
II. TGV: 유리 기반 상호 연결 혁신
1. 기술적 원칙
TGV는 실리콘 대신 유리 기판을 사용합니다. 레이저 드릴링 또는 습식 에칭을 통해 고정밀 비아를 형성한 후 금속 시드층을 증착하고 전기 도금을 하여 TSV와 유사한 수직 상호 연결을 구현합니다.
유리는 뛰어난 전기 절연성, 낮은 유전 상수(Dk), 낮은 유전 손실(Df) 및 탁월한 치수 안정성을 제공하여 고속 신호 전송 및 광전자 패키징에 매우 적합한 소재입니다.
2. 프로세스 흐름
TGV 제작의 주요 단계는 다음과 같습니다.
레이저 드릴링: 초고속 레이저를 이용하여 유리 표면에 직경이 일반적으로 20~150μm인 미세 구멍을 뚫습니다.
시드층 증착: 마그네트론 스퍼터링과 같은 PVD 방식은 비아 벽에 균일한 전도성 층을 증착합니다.
금속 전기 도금: 구리 또는 니켈-구리 합금이 비아를 채워 유리를 관통하는 전기 연결부를 형성합니다.
평탄화 및 패터닝: 다층 상호 연결 또는 IC 칩 접합을 가능하게 합니다.
3. 장점
TSV와 비교했을 때 TGV는 다음과 같은 여러 가지 이점을 보여줍니다.
낮은 유전 손실: 유리의 유전율(Dk)은 실리콘의 약 1/3에 불과하여 신호 간섭 및 삽입 손실을 줄입니다.
탁월한 열 안정성: 금속에 가까운 열팽창 계수(CTE)로 열 응력을 최소화합니다.
광학적 투명성: 광전자 소자 및 센서의 통합을 지원합니다.
비용 관리가 용이함: 레이저 드릴링 및 유리 가공 기술이 성숙 단계에 접어들어 대면적 패널 생산에 적합함.
III. TSV와 TGV: 비교 및 적용 분야
| 목 | TSV(Through Silicon Via) | TGV (Through Glass Via) |
| 기질 | 단결정 실리콘 | 특수 유리 (보로플로트, 코닝, 쇼트 등) |
| 구멍의 직경 | 5–50 μm | 20–150 μm |
| 구멍 깊이 | 30–100 μm | 100–400 μm |
| 격리 | 추가 절연층 필요 | 유리는 본질적으로 절연체이다 |
| 열팽창 계수 일치 | Cu와 비교했을 때 유의미한 차이점 | 구리와 유사하게 열응력이 낮습니다. |
| 프로세스 비용 | 높은 | 상대적으로 낮음 |
| 응용 프로그램 | 논리/메모리 3D 스태킹 | SiP, 센서, 광전자 패키징, 안테나, MEMS |
TSV는 고성능 로직 및 메모리 3D 스태킹에 있어 여전히 주류 기술로 자리 잡고 있으며, TGV는 SiP, 광전자 집적, 센서 및 RF 장치 분야에서 빠르게 확산되고 있습니다.
유리 기판 크기가 패널 레벨 패키징(PLP) 수준에 도달함에 따라 TGV는 5G 통신, 자동차 레이더, AR 광학 장치 및 미니/마이크로 LED 패키징을 위한 이상적인 상호 연결 플랫폼이 되고 있습니다.
IV. 실리콘에서 유리로: 시스템 수준의 이점
유리의 도입은 단순히 재료를 대체하는 것에 그치지 않고, 시스템 차원의 설계 철학의 변화를 의미합니다.
전기적 성능: 낮은 유전율(Dk) 유리로 신호 지연 및 전력 소비를 크게 줄였습니다.
구조적 안정성: TGV는 넓은 면적의 포장재에 대해 더 높은 평탄도와 낮은 뒤틀림률을 제공합니다.
제조 유연성: 레이저 가공과 진공 PVD의 결합으로 높은 공정 호환성과 확장성을 제공합니다.
특히 광전자 집적화의 경우, 유리의 광학적 투명성 덕분에 기판이 전기적 상호 연결뿐만 아니라 도파관, 렌즈 및 센서 창까지 지원하는 패키징 설계가 가능하며, 이는 TSV로는 달성하기 어렵습니다.
V. ZhenHua 진공 TGV 종자층 코팅 솔루션
장비의 장점:
심층 비아 코팅 최적화: 독자적인 심층 비아 코팅 기술은 30μm 크기의 미세 비아와 10:1 이상의 종횡비를 처리하여 복잡한 심층 비아 문제를 해결합니다.
다양한 크기로 맞춤 제작 가능: 600×600mm, 510×515mm 또는 그 이상의 크기를 포함한 유리 기판을 지원합니다.
공정 유연성: Cu, Ti, Ni, Pt 및 기타 전도성 또는 기능성 박막과 호환되어 다양한 전기적 및 내식성 요구 사항을 충족합니다.
안정적인 성능 및 손쉬운 유지보수: 자동 파라미터 조정 및 두께 균일성 실시간 모니터링을 위한 스마트 제어 기능이 탑재되어 있으며, 모듈식 설계로 유지보수가 용이하고 가동 중지 시간을 줄여줍니다.
적용 범위: TGV/TSV/TMV 고급 패키징에 적합하며, 10:1 종횡비의 심층 비아 시드층 코팅을 구현할 수 있습니다.
—이 기사는 다음에서 발행되었습니다.진공 코팅 장비 제조업체: Zhenhua Vacuum
게시 시간: 2025년 10월 16일