W rozwoju technologii obudów półprzewodnikowych, połączenia pionowe zawsze były kluczowym czynnikiem decydującym o wydajności systemu, zajmowanej powierzchni i zużyciu energii. Od wczesnych technik łączenia przewodów i układów typu flip-chip, po pojawienie się układów scalonych 3D, branża poszukiwała rozwiązań o większej gęstości i krótszych połączeniach.
W tym kontekście TSV (przez krzem) i TGV (przez szkło) stały się dwiema głównymi technologiami połączeń pionowych. Różnią się one systemami materiałowymi, procesami produkcyjnymi, parametrami wydajnościowymi i domenami zastosowań, stanowiąc punkt zwrotny w rozwoju opakowań nowej generacji.
I. TSV: Pionier opakowań 3D
1. Zasada techniczna
TSV odnosi się do przelotek o dużym wydłużeniu, wytrawianych w podłożu krzemowym (zazwyczaj o głębokości od kilkudziesięciu do kilkuset mikronów), a następnie formowanych na ściankach przelotek warstwą izolacyjną, warstwą zalążkową metalu i wypełnieniem metalowym (zazwyczaj miedzią). Te pionowe przelotki umożliwiają szybkie połączenia elektryczne między warstwami chipów.
2. Przepływ procesu
Typowy proces produkcji TSV obejmuje:
Głębokie trawienie krzemu (DRIE): tworzenie otworów przelotowych o dużym współczynniku kształtu w płytce krzemowej.
Osadzanie warstwy izolacyjnej: Zwykle osadzanie SiO₂ metodą PECVD w celu elektrycznej izolacji wypełnienia metalowego od podłoża krzemowego.
Osadzanie warstwy zarodkowej i galwanizacja: osadzanie PVD metalowej warstwy zarodkowej, a następnie galwanizacja miedzią.
Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP): Usunięcie nadmiaru metalu w celu uzyskania płaskiej powierzchni.
3. Zalety i ograniczenia
TSV oferuje wyjątkowo krótkie ścieżki połączeń, niskie opóźnienia sygnału, niskie zużycie energii i dużą przepustowość, co sprawia, że jest kluczowym czynnikiem umożliwiającym obliczenia o wysokiej wydajności i pamięć o dużej przepustowości.
TSV ma jednak również ograniczenia:
Problemy związane z naprężeniem cieplnym: Duża różnica w współczynniku rozszerzalności cieplnej krzemu i miedzi może obniżyć niezawodność.
Wysokie koszty procesu: Głębokie trawienie, galwanizacja i CMP są procesami złożonymi i wrażliwymi na wydajność.
Wyzwania związane z izolacją elektryczną: Grubość i jednorodność warstwy izolacyjnej mają bezpośredni wpływ na wytrzymałość dielektryczną.
Wraz ze wzrostem gęstości integracji układów scalonych konflikty między wydajnością a kosztami doprowadziły do poszukiwania alternatywnych materiałów, co stworzyło szansę dla TGV.
II. TGV: Innowacja w zakresie połączeń międzysystemowych na bazie szkła
1. Zasada techniczna
W TGV zamiast krzemu zastosowano podłoża szklane. Precyzyjne przelotki są formowane metodą wiercenia laserowego lub trawienia na mokro, a następnie nakładana jest warstwa metalowego zarodka i galwanizowana, co pozwala uzyskać pionowe połączenia podobne do tych w TSV.
Szkło zapewnia doskonałą izolację elektryczną, niską stałą dielektryczną (Dk), niskie straty dielektryczne (Df) i wyjątkową stabilność wymiarową, co sprawia, że TGV jest bardzo atrakcyjnym materiałem do szybkiej transmisji sygnałów i obudów optoelektronicznych.
2. Przepływ procesu
Kluczowe etapy produkcji TGV obejmują:
Wiercenie laserowe: Ultraszybkie lasery tworzą mikrootwory w szkle, których średnica wynosi zazwyczaj od 20 do 150 μm.
Osadzanie warstwy zarodkowej: PVD, np. rozpylanie magnetronowe, osadza równomierną warstwę przewodzącą na ściankach przelotek.
Galwanizacja metalu: Przelotki wypełnia się miedzią lub stopem niklu i miedzi, tworząc połączenia elektryczne przechodzące przez szkło.
Planaryzacja i wzorowanie: Umożliwia połączenia wielowarstwowe lub łączenie z układami scalonymi.
3. Zalety
W porównaniu z TSV, TGV oferuje szereg korzyści:
Niska strata dielektryczna: Szkło Dk ma grubość około 1/3 grubości krzemu, co zmniejsza przesłuchy sygnału i straty wtrąceniowe.
Doskonała stabilność termiczna: współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) zbliżony do metali, co minimalizuje naprężenia cieplne.
Przezroczystość optyczna: wspiera integrację optoelektroniczną w fotonice i czujnikach.
Kontrolowane koszty: Wiercenie laserowe i obróbka szkła stają się coraz bardziej powszechne i nadają się do produkcji wielkopowierzchniowych paneli.
III. TSV vs TGV: Porównanie i obszary zastosowań
| Przedmiot | TSV (przez krzem) | TGV (przez szkło) |
| Podłoże | Krzem monokrystaliczny | Szkło specjalistyczne (Borofloat, Corning, Schott, itp.) |
| Średnica otworu | 5–50 mikrometrów | 20–150 mikrometrów |
| Głębokość otworu | 30–100 μm | 100–400 mikrometrów |
| Izolacja | Wymagana dodatkowa warstwa izolacyjna | Szkło samoistnie izolujące |
| Dopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej | Istotne różnice w porównaniu z Cu | Podobnie jak Cu, niskie naprężenie cieplne |
| Koszt procesu | Wysoki | Relatywnie niższy |
| Aplikacje | Układ logiczny/pamięciowy 3D | SiP, czujniki, obudowy optoelektroniczne, anteny, MEMS |
TSV pozostaje głównym wyborem w przypadku wydajnej logiki i układania pamięci w 3D, podczas gdy TGV szybko rozwija się w obszarze SiP, integracji optoelektronicznej, czujników i urządzeń RF.
Wraz ze wzrostem rozmiarów podłoża szklanego do rozmiarów paneli (PLP), TGV staje się idealną platformą połączeniową dla komunikacji 5G, radarów samochodowych, optyki AR i obudów Mini/Micro LED.
IV. Od krzemu do szkła: korzyści na poziomie systemowym
Wprowadzenie szkła nie jest jedynie wymianą materiału; oznacza to zmianę filozofii projektowania na poziomie systemowym.
Parametry elektryczne: szkło o niskim współczynniku Dk znacznie redukuje opóźnienie sygnału i zużycie energii.
Integralność strukturalna: TGV zapewnia większą płaskość i mniejsze odkształcenia w przypadku opakowań o dużej powierzchni.
Elastyczność produkcji: obróbka laserowa w połączeniu z próżniowym PVD zapewnia wysoką kompatybilność i skalowalność procesu.
W szczególności w przypadku integracji optoelektronicznej optyczna przejrzystość szkła umożliwia projektowanie opakowań, w których podłoże obsługuje nie tylko połączenia elektryczne, ale także falowody, soczewki i okienka czujników, co jest trudne do osiągnięcia w przypadku TSV.
V. ZhenHua Vacuum TGV Seed Layer Coating Solution
Zalety sprzętu:
Optymalizacja głębokich powłok przelotowych: opatentowana technologia głębokich powłok przelotowych, która umożliwia obsługę przelotek o średnicy zaledwie 30 μm i współczynniku kształtu >10:1, co pozwala sprostać złożonym wyzwaniom związanym z głębokimi przelotkami.
Możliwość dostosowania do różnych rozmiarów: Obsługuje podłoża szklane o wymiarach 600×600 mm, 510×515 mm i większych.
Elastyczność procesu: Kompatybilny z Cu, Ti, Ni, Pt i innymi przewodzącymi lub funkcjonalnymi cienkimi warstwami, co pozwala spełnić zróżnicowane wymagania dotyczące elektryczności i odporności na korozję.
Stabilna wydajność i łatwa konserwacja: Wyposażone w inteligentne sterowanie umożliwiające automatyczną regulację parametrów i monitorowanie w czasie rzeczywistym jednorodności grubości; modułowa konstrukcja ułatwia konserwację i redukuje przestoje.
Zakres zastosowania: Nadaje się do zaawansowanych opakowań TGV/TSV/TMV, umożliwiając uzyskanie głębokiej powłoki poprzez warstwę zarodkową o współczynniku kształtu 10:1.
—Artykuł ten został opublikowany przezsprzęt do powlekania próżniowego producent Zhenhua Vacuum
Czas publikacji: 16-10-2025