In de evolutie van halfgeleiderverpakkingstechnologie zijn verticale interconnecties altijd een cruciale factor geweest voor de systeemprestaties, de afmetingen en het stroomverbruik. Van vroege draadverbindings- en flip-chiptechnieken tot de opkomst van 3D-gestapelde IC's, is de industrie op zoek geweest naar oplossingen met een hogere dichtheid en kortere interconnecties.
In deze context zijn TSV (Through Silicon Via) en TGV (Through Glass Via) uitgegroeid tot twee belangrijke verticale interconnectietechnologieën. Ze verschillen in materiaalsystemen, productieprocessen, prestatiekarakteristieken en toepassingsgebieden, en vertegenwoordigen een cruciaal punt in de ontwikkeling van de volgende generatie verpakkingstechnologieën.
I. TSV: Pionier van 3D-verpakkingen
1. Technisch principe
TSV staat voor vias met een hoge aspectverhouding die door een siliciumsubstraat worden geëtst (doorgaans tientallen tot honderden micrometers diep), gevolgd door de vorming van een isolerende laag, een metalen kiemlaag en een metalen vulling (meestal koper) op de via-wanden. Deze verticale vias maken snelle elektrische verbindingen mogelijk tussen gestapelde chiplagen.
2. Processtroom
Het typische fabricageproces van TSV's omvat:
Diep siliciumetsen (DRIE): Hiermee worden via's met een hoge aspectverhouding in de siliciumwafer gecreëerd.
Afzetting van een isolerende laag: Meestal wordt via PECVD SiO₂ afgezet om de metaalvulling elektrisch te isoleren van het siliciumsubstraat.
Afzetting van een kiemlaag en galvaniseren: PVD-afzetting van een metalen kiemlaag gevolgd door galvaniseren met koper.
Chemisch-mechanisch polijsten (CMP): Verwijder overtollig metaal om een vlak oppervlak te verkrijgen.
3. Voordelen en beperkingen
TSV biedt extreem korte verbindingspaden, lage signaalvertraging, laag energieverbruik en hoge bandbreedte, waardoor het een cruciale factor is voor krachtige computersystemen en geheugen met hoge bandbreedte.
TSV heeft echter ook beperkingen:
Problemen met thermische spanning: Een groot verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen silicium en koper kan de betrouwbaarheid verminderen.
Hoge proceskosten: Diepetsen, galvaniseren en CMP zijn complexe processen die gevoelig zijn voor de opbrengst.
Uitdagingen op het gebied van elektrische isolatie: De dikte en uniformiteit van de isolatielaag hebben een directe invloed op de diëlektrische sterkte.
Naarmate de integratiedichtheid van chips toeneemt, hebben conflicten tussen opbrengst en kosten geleid tot onderzoek naar alternatieve materialen, waardoor er kansen zijn ontstaan voor TGV.
II. TGV: Innovatie in interconnecties op basis van glas
1. Technisch principe
TGV maakt gebruik van glazen substraten in plaats van silicium. Door middel van laserboren of nat etsen worden zeer nauwkeurige via's gevormd, gevolgd door het aanbrengen van een metalen kiemlaag en galvaniseren, waardoor verticale interconnecties ontstaan die vergelijkbaar zijn met TSV.
Glas biedt uitstekende elektrische isolatie, een lage diëlektrische constante (Dk), een laag diëlektrisch verlies (Df) en een uitstekende dimensionale stabiliteit, waardoor TGV zeer aantrekkelijk is voor snelle signaaloverdracht en opto-elektronische verpakkingen.
2. Processtroom
De belangrijkste stappen in de fabricage van TGV's zijn onder andere:
Laserboren: Ultrasnelle lasers vormen microgaatjes in glas met diameters die doorgaans variëren van 20 tot 150 μm.
Zaadlaagafzetting: PVD, zoals magnetron sputteren, zet een uniforme geleidende laag af op de via-wanden.
Metaalgalvanisatie: Koper of een nikkel-koperlegering vult de via's om elektrische verbindingen door het glas te vormen.
Planarizatie en patroonvorming: Maakt meerlaagse interconnecties of verbindingen met IC-chips mogelijk.
3. Voordelen
Vergeleken met TSV biedt TGV verschillende voordelen:
Lage diëlektrische verliezen: Glas heeft een diëlektrische constante (Dk) van ongeveer 1/3 van die van silicium, waardoor signaaloverspraak en invoegverlies worden verminderd.
Uitstekende thermische stabiliteit: de thermische uitzettingscoëfficiënt ligt dicht bij die van metalen, waardoor thermische spanningen tot een minimum worden beperkt.
Optische transparantie: Ondersteunt opto-elektronische integratie in fotonica en sensoren.
Beheersbare kosten: Laserboren en glasbewerking zijn volwassen geworden en geschikt voor de productie van grote panelen.
III. TSV versus TGV: Vergelijking en toepassingsgebieden
| Item | TSV (Through Silicon Via) | TGV (Through Glass Via) |
| Substraat | Monokristallijn silicium | Speciaal glas (Borofloat, Corning, Schott, enz.) |
| Diameter van het gat | 5–50 μm | 20–150 μm |
| Gatdiepte | 30–100 μm | 100–400 μm |
| Isolatie | Een extra isolatielaag is vereist. | Glas is van nature isolerend. |
| Afstemming van de thermische uitzettingscoëfficiënt | Aanzienlijke verschillen vergeleken met Cu | Net als bij Cu, lage thermische spanning |
| Proceskosten | Hoog | Relatief lager |
| Toepassingen | Logica/Geheugen 3D-stapeling | SiP, sensoren, opto-elektronische verpakkingen, antennes, MEMS |
TSV blijft de meest gangbare keuze voor hoogwaardige 3D-stapeling van logica en geheugen, terwijl TGV snel terrein wint in SiP, opto-elektronische integratie, sensoren en RF-apparaten.
Doordat de afmetingen van het glassubstraat nu geschikt zijn voor verpakking op paneelniveau (PLP), wordt TGV een ideaal interconnectieplatform voor 5G-communicatie, autoradar, AR-optiek en mini-/micro-LED-verpakkingen.
IV. Van silicium naar glas: voordelen op systeemniveau
De introductie van glas is niet louter een materiaalvervanging; het vertegenwoordigt een verschuiving in de ontwerpfilosofie op systeemniveau.
Elektrische prestaties: Laag-Dk-glas vermindert de signaalvertraging en het stroomverbruik aanzienlijk.
Structurele integriteit: TGV biedt een hogere vlakheid en minder kromtrekking voor verpakkingen met een groot oppervlak.
Flexibiliteit in de productie: Laserbewerking in combinatie met vacuüm-PVD zorgt voor een hoge procescompatibiliteit en schaalbaarheid.
Met name voor opto-elektronische integratie maakt de optische transparantie van glas verpakkingsontwerpen mogelijk waarbij het substraat niet alleen elektrische verbindingen ondersteunt, maar ook golfgeleiders, lenzen en sensorvensters, iets wat moeilijk te realiseren is met TSV.
V. ZhenHua Vacuum TGV Seed Layer Coating Solution
Voordelen van de apparatuur:
Optimalisatie van diepe via-coating: Gepatenteerde diepe via-coatingtechnologie die via's van slechts 30 μm met een aspectverhouding van >10:1 kan verwerken, waarmee complexe uitdagingen op het gebied van diepe via's worden aangepakt.
Aanpasbaar voor diverse formaten: Ondersteunt glazen substraten van onder andere 600×600 mm, 510×515 mm en groter.
Procesflexibiliteit: Compatibel met Cu, Ti, Ni, Pt en andere geleidende of functionele dunne films om te voldoen aan uiteenlopende eisen op het gebied van elektrische eigenschappen en corrosiebestendigheid.
Stabiele prestaties en eenvoudig onderhoud: Uitgerust met slimme besturing voor automatische parameteraanpassing en realtime bewaking van de dikte-uniformiteit; het modulaire ontwerp vergemakkelijkt het onderhoud en vermindert stilstandtijd.
Toepassingsgebied: Geschikt voor geavanceerde TGV/TSV/TMV-verpakkingen, waarmee een diepe via-zaadlaagcoating met een aspectverhouding van 10:1 kan worden gerealiseerd.
—Dit artikel is gepubliceerd doorvacuümcoatingapparatuur fabrikant Zhenhua Vacuum
Geplaatst op: 16 oktober 2025