Från TSV till TGV: Materialutveckling och tillverkningsskillnader i genomgående via-förbindelser

I utvecklingen av halvledarkapslingsteknik har vertikala sammankopplingar alltid varit en nyckelfaktor som bestämmer systemprestanda, fotavtryck och strömförbrukning. Från tidig trådbindning och flip-chip-tekniker till framväxten av 3D-staplade integrerade kretsar har industrin sökt lösningar med högre densitet och kortare sammankopplingar.

I detta sammanhang har TSV (Through Silicon Via) och TGV (Through Glass Via) framträtt som två vanliga vertikala sammankopplingstekniker. De skiljer sig åt i materialsystem, tillverkningsprocesser, prestandaegenskaper och tillämpningsområden, vilket representerar en avgörande punkt i nästa generations förpackningsutveckling.

I. TSV: Pionjär inom 3D-förpackning
1. Teknisk princip

TSV hänvisar till vias med högt aspektförhållande som etsas genom ett kiselsubstrat (vanligtvis tiotals till hundratals mikrometer djupt), följt av bildandet av ett isolerande lager, ett metallfrölager och en metallfyllning (vanligtvis koppar) på viaväggarna. Dessa vertikala vias möjliggör höghastighets elektriska sammankopplingar mellan staplade chiplager.

2. Processflöde

Den typiska TSV-tillverkningsprocessen inkluderar:

Djup kiseletsning (DRIE): Skapa vias med högt aspektförhållande i kiselskivan.

Isolerande lagerdeponering: Vanligtvis PECVD-deponerad SiO₂ för att elektriskt isolera metallfyllningen från kiselsubstratet.

Frölageravsättning och elektroplätering: PVD-avsättning av ett metallfrölager följt av kopparelektroplätering.

Kemisk-mekanisk polering (CMP): Avlägsna överflödig metall för att uppnå en plan yta.

3. Fördelar och begränsningar

TSV erbjuder extremt korta sammankopplingsvägar, låg signallatens, låg strömförbrukning och hög bandbredd, vilket gör den till en avgörande möjliggörare för högpresterande databehandling och minne med hög bandbredd.

TSV har dock också begränsningar:

Problem med termisk stress: Stor skillnad i CTE mellan kisel och koppar kan minska tillförlitligheten.

Hög processkostnad: Djupetsning, elektroplätering och CMP är komplexa och utbyteskänsliga.

Utmaningar med elektrisk isolering: Tjockleken och jämnheten hos det isolerande lagret påverkar direkt den dielektriska styrkan.

I takt med att chipintegrationstätheten ökar har konflikter mellan utbyte och kostnad drivit utforskningen av alternativa material – vilket skapat möjligheter för TGV.

II. TGV: Glasbaserad sammankopplingsinnovation
1. Teknisk princip

TGV använder glassubstrat istället för kisel. Högprecisionsvias formas genom laserborrning eller våtetsning, följt av avsättning av ett metallfrölager och elektroplätering, vilket uppnår vertikala sammankopplingar liknande TSV.

Glas erbjuder utmärkt elektrisk isolering, låg dielektricitetskonstant (Dk), låg dielektricitetsförlust (Df) och enastående dimensionsstabilitet, vilket gör TGV mycket attraktivt för höghastighetssignalöverföring och optoelektronisk kapsling.

2. Processflöde

Viktiga steg i tillverkningen av TGV:er inkluderar:

Laserborrning: Ultrasnabba lasrar bildar mikrovias i glas med diametrar som vanligtvis varierar från 20–150 μm.

Frölageravsättning: PVD, såsom magnetronsputtring, avsätter ett enhetligt ledande lager på viaväggarna.

Metallelektroplätering: Koppar- eller nickel-kopparlegering fyller vias för att bilda elektriska anslutningar genom glas.

Planarisering och mönstring: Möjliggör flerskiktssammankopplingar eller bindning till IC-chips.

3. Fördelar

Jämfört med TSV uppvisar TGV flera fördelar:

Låg dielektrisk förlust: Glas Dk består av ungefär 1/3 av kisel, vilket minskar signalöverhörning och insättningsförlust.

Utmärkt termisk stabilitet: CTE nära metaller, vilket minimerar termisk stress.

Optisk transparens: Stöder optoelektronisk integration i fotonik och sensorer.

Kontrollerbar kostnad: Laserborrning och glasbearbetning mognar och är lämpliga för storskalig produktion på panelnivå.

III. TSV vs TGV: Jämförelse och tillämpningsområden

TSV är fortfarande det vanligaste valet för högpresterande logik och 3D-stacking av minne, medan TGV expanderar snabbt inom SiP, optoelektronisk integration, sensorer och RF-enheter.

Med glassubstratstorlekar som når panelnivåkapsling (PLP) blir TGV en idealisk sammankopplingsplattform för 5G-kommunikation, fordonsradar, AR-optik och mini-/mikro-LED-kapsling.

IV. Från kisel till glas: Fördelar på systemnivå

Införandet av glas är inte bara en materialersättning; det representerar ett skifte i designfilosofin på systemnivå.

Elektrisk prestanda: Glas med låg Dk minskar signalfördröjning och strömförbrukning avsevärt.

Strukturell integritet: TGV erbjuder högre planhet och lägre skevhet för förpackningar med stora ytor.

Tillverkningsflexibilitet: Laserbearbetning i kombination med vakuum-PVD möjliggör hög processkompatibilitet och skalbarhet.

Särskilt för optoelektronisk integration möjliggör glasets optiska transparens förpackningsdesigner där substratet inte bara stöder elektriska sammankopplingar utan även vågledare, linser och sensorfönster, vilket är svårt att uppnå med TSV.

V. ZhenHua vakuum TGV-fröskiktsbeläggningslösning

Utrustningsfördelar:

Optimering av djup via-beläggning: Egenutvecklad djup via-beläggningsteknik som kan hantera vias så små som 30 μm med ett bildförhållande på >10:1, vilket löser komplexa djup via-utmaningar.

Anpassningsbar för olika storlekar: Stöder glassubstrat inklusive 600×600 mm, 510×515 mm eller större.

Processflexibilitet: Kompatibel med Cu, Ti, Ni, Pt och andra ledande eller funktionella tunna filmer för att uppfylla olika krav på elektrisk motståndskraft och korrosionsbeständighet.

Stabil prestanda och enkelt underhåll: Utrustad med smart styrning för automatisk parameterjustering och realtidsövervakning av tjockleksjämnhet; modulär design underlättar underhåll och minskar stilleståndstiden.

Användningsområde: Lämplig för avancerad TGV/TSV/TMV-förpackning, vilket ger djup beläggning via fröskiktet med ett bildförhållande på 10:1.

—Denna artikel publicerades avvakuumbeläggningsutrustning tillverkare Zhenhua Vacuum