Fra TSV til TGV: Materialutvikling og produksjonsforskjeller i gjennomgående via-forbindelser

I utviklingen av halvlederpakketeknologi har vertikale sammenkoblinger alltid vært en nøkkelfaktor som bestemmer systemytelse, fotavtrykk og strømforbruk. Fra tidlig wire bonding og flip-chip-teknikker til fremveksten av 3D-stablede IC-er har industrien søkt etter løsninger med høyere tetthet og kortere sammenkoblinger.

I denne sammenhengen har TSV (Through Silicon Via) og TGV (Through Glass Via) dukket opp som to vanlige vertikale sammenkoblingsteknologier. De skiller seg i materialsystemer, produksjonsprosesser, ytelsesegenskaper og applikasjonsdomener, og representerer et sentralt punkt i neste generasjons emballasjeutvikling.

I. TSV: Pioner innen 3D-emballasje
1. Teknisk prinsipp

TSV refererer til vias med høyt aspektforhold som etses gjennom et silisiumsubstrat (vanligvis titalls til hundrevis av mikrometer dypt), etterfulgt av dannelse av et isolerende lag, et metallfrølag og en metallfylling (vanligvis kobber) på via-veggene. Disse vertikale viasene muliggjør høyhastighets elektriske sammenkoblinger mellom stablede brikkelag.

2. Prosessflyt

Den typiske TSV-fabrikasjonsprosessen inkluderer:

Dyp silisiumetsing (DRIE): Lag vias med høyt aspektforhold i silisiumskiven.

Avsetning av isolerende lag: Vanligvis PECVD-avsatt SiO₂ for elektrisk å isolere metallfyllingen fra silisiumsubstratet.

Avsetning og galvanisering av kimlag: PVD-avsetning av et metallkimlag etterfulgt av kobbergalvanisering.

Kjemisk-mekanisk polering (CMP): Fjern overflødig metall for å oppnå en plan overflate.

3. Fordeler og begrensninger

TSV tilbyr ekstremt korte sammenkoblingsbaner, lav signalforsinkelse, lavt strømforbruk og høy båndbredde, noe som gjør den til en kritisk muliggjører for høyytelsesdatabehandling og minne med høy båndbredde.

TSV har imidlertid også begrensninger:

Termiske stressproblemer: Stor uoverensstemmelse i CTE mellom silisium og kobber kan redusere påliteligheten.

Høye prosesskostnader: Dypetsning, galvanisering og CMP er komplekse og utbyttesensitive.

Utfordringer med elektrisk isolasjon: Tykkelsen og ensartetheten til det isolerende laget påvirker direkte den dielektriske styrken.

Etter hvert som chip-integrasjonstettheten øker, har konflikter mellom utbytte og kostnad drevet utforskningen av alternative materialer – noe som skaper muligheten for TGV.

II. TGV: Innovasjon basert på glassbasert sammenkobling
1. Teknisk prinsipp

TGV bruker glasssubstrater i stedet for silisium. Høypresisjonsviaer dannes ved laserboring eller våtetsing, etterfulgt av avsetning av et metallkimlag og galvanisering, noe som oppnår vertikale sammenkoblinger som ligner på TSV.

Glass tilbyr utmerket elektrisk isolasjon, lav dielektrisk konstant (Dk), lavt dielektrisk tap (Df) og enestående dimensjonsstabilitet, noe som gjør TGV svært attraktivt for høyhastighets signaloverføring og optoelektronisk pakking.

2. Prosessflyt

Viktige trinn i TGV-produksjon inkluderer:

Laserboring: Ultrasnelle lasere danner mikroviaer i glass med diametre som vanligvis varierer fra 20–150 μm.

Frølagsavsetning: PVD, for eksempel magnetronsputtering, avsetter et jevnt ledende lag på via-veggene.

Metallelektroplettering: Kobber- eller nikkel-kobberlegering fyller viasene for å danne elektriske forbindelser gjennom glass.

Planarisering og mønstring: Muliggjør flerlagsforbindelser eller binding til IC-brikker.

3. Fordeler

Sammenlignet med TSV, viser TGV flere fordeler:

Lavt dielektrisk tap: Glass Dk er omtrent 1/3 av silisium, noe som reduserer signalkryss og innsettingstap.

Utmerket termisk stabilitet: CTE nær metaller, noe som minimerer termisk stress.

Optisk gjennomsiktighet: Støtter optoelektronisk integrasjon i fotonikk og sensorer.

Kontrollerbare kostnader: Laserboring og glassbearbeiding modnes, og er egnet for produksjon av store paneler.

III. TSV vs TGV: Sammenligning og anvendelsesområder

TSV er fortsatt det vanlige valget for høyytelseslogikk og 3D-stabling av minne, mens TGV ekspanderer raskt innen SiP, optoelektronisk integrasjon, sensorer og RF-enheter.

Med glasssubstratstørrelser som når panelnivåpakking (PLP), er TGV i ferd med å bli en ideell sammenkoblingsplattform for 5G-kommunikasjon, bilradar, AR-optikk og mini/mikro LED-pakking.

IV. Fra silisium til glass: Fordeler på systemnivå

Innføringen av glass er ikke bare en materialerstatning; det representerer et skifte i designfilosofien på systemnivå.

Elektrisk ytelse: Lav Dk-glass reduserer signalforsinkelse og strømforbruk betydelig.

Strukturell integritet: TGV tilbyr høyere planhet og lavere vridning for emballasje med store områder.

Produksjonsfleksibilitet: Laserprosessering kombinert med vakuum-PVD gir høy prosesskompatibilitet og skalerbarhet.

Spesielt for optoelektronisk integrasjon muliggjør den optiske gjennomsiktigheten til glass emballasjedesign der substratet ikke bare støtter elektriske sammenkoblinger, men også bølgeledere, linser og sensorvinduer, noe som er vanskelig å oppnå med TSV.

V. ZhenHua vakuum TGV frølagsbeleggløsning

Utstyrsfordeler:

Optimalisering av dyp via-belegg: Proprietær dyp via-beleggteknologi som kan håndtere vias så små som 30 μm med et sideforhold på >10:1, og håndterer komplekse dyp via-utfordringer.

Kan tilpasses for ulike størrelser: Støtter glassunderlag, inkludert 600 × 600 mm, 510 × 515 mm eller større.

Prosessfleksibilitet: Kompatibel med Cu, Ti, Ni, Pt og andre ledende eller funksjonelle tynne filmer for å oppfylle ulike krav til elektrisk motstand og korrosjonsbestandighet.

Stabil ytelse og enkelt vedlikehold: Utstyrt med smart kontroll for automatisk parameterjustering og sanntidsovervåking av tykkelsesjevnhet; modulær design forenkler vedlikehold og reduserer nedetid.

Bruksområde: Egnet for avansert TGV/TSV/TMV-pakking, og oppnår dyp belegg via frølaget med et sideforhold på 10:1.

– Denne artikkelen ble publisert avvakuumbeleggsutstyr produsent Zhenhua Vacuum