В процессе эволюции технологии упаковки полупроводников вертикальные межсоединения всегда были ключевым фактором, определяющим производительность системы, ее габариты и энергопотребление. От ранних методов проволочного соединения и флип-чипа до появления 3D-стекированных интегральных схем, отрасль стремилась к созданию решений с более высокой плотностью и меньшей длиной межсоединений.
В этом контексте TSV (сквозные кремниевые переходные отверстия) и TGV (сквозные стеклянные переходные отверстия) стали двумя основными технологиями вертикальных межсоединений. Они различаются по системам материалов, производственным процессам, характеристикам производительности и областям применения, представляя собой поворотный момент в разработке корпусов следующего поколения.
I. TSV: Пионер 3D-упаковки
1. Технический принцип
TSV (сквозные отверстия с высоким соотношением сторон) — это отверстия с высоким соотношением сторон, вытравленные через кремниевую подложку (обычно на глубину от десятков до сотен микрон), после чего на стенках отверстия формируется изолирующий слой, металлический затравочный слой и металлический заполнитель (обычно медь). Эти вертикальные отверстия обеспечивают высокоскоростные электрические соединения между слоями микросхемы.
2. Схема процесса
Типичный процесс изготовления сквозных межсоединений включает в себя:
Глубокое травление кремния (DRIE): создание высокоаспектных переходных отверстий в кремниевой пластине.
Нанесение изоляционного слоя: Обычно это SiO₂, наносимый методом PECVD для электрической изоляции металлического заполнителя от кремниевой подложки.
Нанесение затравочного слоя и электролитическое осаждение: осаждение металлического затравочного слоя методом PVD с последующим электролитическим меднением.
Химико-механическая полировка (ХМП): удаление излишков металла для получения ровной поверхности.
3. Преимущества и ограничения
Технология TSV обеспечивает чрезвычайно короткие пути межсоединений, низкую задержку сигнала, низкое энергопотребление и высокую пропускную способность, что делает ее важнейшим элементом высокопроизводительных вычислений и высокоскоростной памяти.
Однако у TSV есть и ограничения:
Проблемы, связанные с термическими напряжениями: большое несоответствие коэффициентов теплового расширения между кремнием и медью может снизить надежность.
Высокая себестоимость процесса: глубокое травление, гальваническое покрытие и химико-механическая полировка — сложные процессы, чувствительные к выходу годной продукции.
Проблемы электроизоляции: толщина и однородность изоляционного слоя напрямую влияют на диэлектрическую прочность.
По мере увеличения плотности интеграции микросхем, конфликт между выходом годных изделий и стоимостью подтолкнул к поиску альтернативных материалов, что создало возможности для TGV.
II. TGV: Инновации в области межсоединений на основе стекла.
1. Технический принцип
В технологии TGV вместо кремния используются стеклянные подложки. Высокоточные переходные отверстия формируются путем лазерного сверления или влажного травления, после чего наносится металлический затравочный слой и производится электролитическое осаждение, что позволяет создавать вертикальные межсоединения, аналогичные TSV.
Стекло обладает превосходной электроизоляцией, низкой диэлектрической постоянной (Dk), низкими диэлектрическими потерями (Df) и выдающейся стабильностью размеров, что делает стекловолокно TGV весьма привлекательным для высокоскоростной передачи сигналов и оптоэлектронной упаковки.
2. Схема процесса
Ключевые этапы изготовления скоростных поездов TGV включают в себя:
Лазерное сверление: Сверхбыстрые лазеры формируют микроотверстия в стекле с диаметром, обычно составляющим от 20 до 150 мкм.
Нанесение затравочного слоя: Метод PVD, например, магнетронное распыление, обеспечивает осаждение равномерного проводящего слоя на стенках сквозных отверстий.
Металлическое гальваническое покрытие: медь или никель-медный сплав заполняют сквозные отверстия, образуя сквозные электрические соединения через стекло.
Планаризация и формирование рисунка: Обеспечивает многослойные межсоединения или соединение с микросхемами.
3. Преимущества
По сравнению с TSV, TGV демонстрирует ряд преимуществ:
Низкие диэлектрические потери: диэлектрическая проницаемость стекла составляет примерно 1/3 от диэлектрической проницаемости кремния, что снижает перекрестные помехи сигнала и вносимые потери.
Превосходная термическая стабильность: коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту теплового расширения металлов, что минимизирует термические напряжения.
Оптическая прозрачность: поддерживает оптоэлектронную интеграцию в фотонике и датчиках.
Контролируемые затраты: Лазерное сверление и обработка стекла находятся на стадии зрелости и подходят для производства панелей большой площади.
III. TSV против TGV: сравнение и области применения
| Элемент | TSV (сквозные кремниевые соединения) | TGV (Through Glass Via) |
| Субстрат | Монокристаллический кремний | Специальное стекло (борофлоат, Corning, Schott и др.) |
| Диаметр отверстия | 5–50 мкм | 20–150 мкм |
| Глубина отверстия | 30–100 мкм | 100–400 мкм |
| Изоляция | Требуется дополнительный изоляционный слой. | Стекло обладает внутренними изоляционными свойствами. |
| Согласование коэффициентов теплового расширения | Значительные различия по сравнению с Cu | Подобно меди, обладает низким термическим напряжением. |
| Стоимость процесса | Высокий | Относительно ниже |
| Приложения | Логическая/память 3D-структура | SiP, датчики, оптоэлектронная упаковка, антенны, MEMS |
Технология TSV остается основным выбором для высокопроизводительной трехмерной компоновки логических микросхем и памяти, в то время как технология TGV быстро набирает популярность в области SiP, оптоэлектронной интеграции, датчиков и радиочастотных устройств.
Благодаря размерам стеклянных подложек, достигающим уровня корпусирования панелей (PLP), технология TGV становится идеальной платформой для межсоединений в сетях связи 5G, автомобильных радарах, AR-оптике и корпусировании мини/микросветодиодов.
IV. От кремния к стеклу: преимущества на системном уровне
Внедрение стекла — это не просто замена материала; это сдвиг в философии проектирования на системном уровне.
Электрические характеристики: Стекло с низким значением диэлектрической проницаемости значительно снижает задержку сигнала и энергопотребление.
Структурная целостность: технология TGV обеспечивает более высокую плоскостность и меньшую деформацию при упаковке больших площадей.
Гибкость производства: лазерная обработка в сочетании с вакуумным PVD-покрытием обеспечивает высокую совместимость и масштабируемость технологических процессов.
В частности, для оптоэлектронной интеграции оптическая прозрачность стекла позволяет создавать конструкции корпусов, в которых подложка поддерживает не только электрические межсоединения, но и волноводы, линзы и окна датчиков, чего трудно достичь с помощью сквозных межсоединений (TSV).
Раствор для вакуумной обработки семян V. ZhenHua Vacuum TGV
Преимущества оборудования:
Оптимизация нанесения покрытия на глубокие переходные отверстия: запатентованная технология нанесения покрытия на глубокие переходные отверстия, способная обрабатывать отверстия размером до 30 мкм с соотношением сторон >10:1, что позволяет решать сложные задачи по созданию глубоких переходных отверстий.
Возможность индивидуальной настройки под различные размеры: поддерживает стеклянные подложки размером 600×600 мм, 510×515 мм и более.
Гибкость технологического процесса: совместимость с Cu, Ti, Ni, Pt и другими проводящими или функциональными тонкими пленками для удовлетворения разнообразных требований к электрической стойкости и коррозионной стойкости.
Стабильная работа и простота обслуживания: оснащен интеллектуальным управлением для автоматической регулировки параметров и мониторинга равномерности толщины в режиме реального времени; модульная конструкция упрощает техническое обслуживание и сокращает время простоя.
Область применения: Подходит для усовершенствованной упаковки TGV/TSV/TMV, обеспечивая глубокое покрытие затравочного слоя сквозных отверстий с соотношением сторон 10:1.
—Эта статья была опубликованавакуумное напыление производитель Zhenhua Vacuum
Дата публикации: 16 октября 2025 г.