No TSV līdz TGV: materiālu evolūcija un ražošanas atšķirības caurvades savienojumos

Pusvadītāju iepakošanas tehnoloģijas attīstībā vertikālie savienojumi vienmēr ir bijuši galvenais faktors, kas nosaka sistēmas veiktspēju, izmērus un enerģijas patēriņu. Sākot ar agrīnajām vadu savienošanas un flip-chip metodēm līdz pat 3D sakrautu integrālo shēmu parādīšanās, nozare ir meklējusi lielāka blīvuma un īsākus savienojumu risinājumus.

Šajā kontekstā TSV (caur silīciju) un TGV (caur stiklu) ir parādījušās kā divas galvenās vertikālo savienojumu tehnoloģijas. Tās atšķiras materiālu sistēmās, ražošanas procesos, veiktspējas raksturlielumos un pielietojuma jomās, kas ir pagrieziena punkts nākamās paaudzes iepakojuma izstrādē.

I. TSV: 3D iepakojuma pionieris
1. Tehniskais princips

TSV attiecas uz augstas malu attiecības caurumiem, kas iegravēti caur silīcija substrātu (parasti desmitiem līdz simtiem mikronu dziļumā), kam seko izolācijas slāņa, metāla sēklas slāņa un metāla pildījuma (parasti vara) izveidošana uz caurumu sienām. Šie vertikālie caurumi nodrošina ātrdarbīgus elektriskos savienojumus starp sakrautiem mikroshēmu slāņiem.

2. Procesa plūsma

Tipisks TSV ražošanas process ietver:

Dziļā silīcija kodināšana (DRIE): Izveidojiet silīcija vafelē augstas malu attiecības atveres.

Izolējošā slāņa uzklāšana: Parasti ar PECVD metodi nogulsnēts SiO₂, lai elektriski izolētu metāla pildījumu no silīcija substrāta.

Sēklas slāņa uzklāšana un galvanizācija: metāla sēklas slāņa uzklāšana ar PVD metodi, kam seko vara galvanizācija.

Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (ĶMP): Noņemiet lieko metālu, lai iegūtu plakanu virsmu.

3. Priekšrocības un ierobežojumi

TSV piedāvā ārkārtīgi īsus savienojumu ceļus, zemu signāla latentumu, zemu enerģijas patēriņu un lielu joslas platumu, padarot to par kritiski svarīgu augstas veiktspējas skaitļošanas un lielas joslas platuma atmiņas nodrošinātāju.

Tomēr TSV ir arī ierobežojumi:

Termiskās spriedzes problēmas: Liela CTE neatbilstība starp silīciju un varu var samazināt uzticamību.

Augstas procesa izmaksas: dziļā kodināšana, galvanizācija un CMP ir sarežģītas un atkarīgas no ražas.

Elektroizolācijas izaicinājumi: Izolācijas slāņa biezums un vienmērīgums tieši ietekmē dielektrisko izturību.

Pieaugot mikroshēmu integrācijas blīvumam, konflikti starp ražību un izmaksām ir veicinājuši alternatīvu materiālu izpēti, radot iespēju TGV.

II. TGV: uz stikla bāzes veidota starpsavienojumu inovācija
1. Tehniskais princips

TGV izmanto stikla substrātus silīcija vietā. Augstas precizitātes caurumus veido ar lāzerurbšanu vai mitro kodināšanu, kam seko metāla sēklas slāņa uzklāšana un galvanizācija, panākot vertikālus savienojumus, kas līdzīgi TSV.

Stikls piedāvā lielisku elektrisko izolāciju, zemu dielektrisko konstanti (Dk), zemus dielektriskos zudumus (Df) un izcilu izmēru stabilitāti, padarot TGV īpaši pievilcīgu ātrgaitas signālu pārraidei un optoelektroniskajam iepakojumam.

2. Procesa plūsma

Galvenie TGV ražošanas posmi ir šādi:

Lāzera urbšana: īpaši ātrie lāzeri veido mikrocaurumus stiklā ar diametru parasti no 20 līdz 150 μm.

Sēklas slāņa nogulsnēšana: PVD, piemēram, magnetrona izsmidzināšana, uz atveru sienām nogulsnē vienmērīgu vadošu slāni.

Metāla galvanizācija: Varš vai niķeļa-vara sakausējums aizpilda atveres, veidojot elektriskos savienojumus caur stiklu.

Planarizācija un rakstu veidošana: ļauj veidot daudzslāņu savienojumus vai savienojumus ar IC mikroshēmām.

3. Priekšrocības

Salīdzinot ar TSV, TGV demonstrē vairākas priekšrocības:

Zems dielektriskais zudums: stikls Dk ir aptuveni 1/3 no silīcija, samazinot signāla šķērsrunu un ievietošanas zudumus.

Lieliska termiskā stabilitāte: CTE ir tuvu metāliem, samazinot termisko spriegumu.

Optiskā caurspīdība: atbalsta optoelektronisko integrāciju fotonikā un sensoros.

Kontrolējamas izmaksas: Lāzerurbšana un stikla apstrāde attīstās un ir piemērota liela laukuma paneļu līmeņa ražošanai.

III. TSV pret TGV: salīdzinājums un pielietojuma jomas

TSV joprojām ir galvenā izvēle augstas veiktspējas loģikai un atmiņas 3D sakraušanai, savukārt TGV strauji paplašinās SiP, optoelektroniskās integrācijas, sensoru un RF ierīču jomā.

Tā kā stikla substrātu izmēri sasniedz paneļu līmeņa iepakojumu (PLP), TGV kļūst par ideālu savienošanas platformu 5G sakariem, automobiļu radariem, AR optikai un mini/mikro LED iepakojumiem.

IV. No silīcija līdz stiklam: ieguvumi sistēmas līmenī

Stikla ieviešana nav tikai materiāla aizstāšana; tā atspoguļo izmaiņas sistēmas līmeņa dizaina filozofijā.

Elektriskā veiktspēja: Zema Dk stikla kvalitāte ievērojami samazina signāla aizturi un enerģijas patēriņu.

Strukturālā integritāte: TGV piedāvā augstāku plakanību un mazāku deformāciju liela laukuma iepakojumam.

Ražošanas elastība: lāzerapstrāde apvienojumā ar vakuuma PVD nodrošina augstu procesu saderību un mērogojamību.

Jo īpaši optoelektroniskās integrācijas gadījumā stikla optiskā caurspīdība ļauj veidot iepakojuma dizainus, kuros substrāts atbalsta ne tikai elektriskos savienojumus, bet arī viļņvadus, lēcas un sensoru logus, ko ir grūti panākt ar TSV.

V. ZhenHua vakuuma TGV sēklu slāņa pārklāšanas šķīdums

Aprīkojuma priekšrocības:

Dziļās atveres pārklājuma optimizācija: patentēta dziļās atveres pārklājuma tehnoloģija, kas spēj apstrādāt pat 30 μm mazas atveres ar malu attiecību >10:1, risinot sarežģītas dziļo atveru problēmas.

Pielāgojams dažādiem izmēriem: Atbalsta stikla pamatnes, tostarp 600 × 600 mm, 510 × 515 mm vai lielākas.

Procesa elastība: Savietojams ar Cu, Ti, Ni, Pt un citām vadošām vai funkcionālām plānajām plēvēm, lai atbilstu dažādām elektriskās un korozijas izturības prasībām.

Stabila veiktspēja un vienkārša apkope: Aprīkots ar viedu vadību automātiskai parametru regulēšanai un biezuma vienmērīguma uzraudzībai reāllaikā; modulāra konstrukcija atvieglo apkopi un samazina dīkstāves laiku.

Pielietojuma joma: Piemērots TGV/TSV/TMV uzlabotam iepakojumam, panākot dziļu pārklājumu ar sēklas slāni un malu attiecību 10:1.

— Šo rakstu publicējavakuuma pārklāšanas iekārtas ražotājs Zhenhua Vacuum