ในการวิวัฒนาการของเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ การเชื่อมต่อแนวตั้งเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพของระบบ ขนาด และการใช้พลังงานมาโดยตลอด ตั้งแต่เทคนิคการเชื่อมต่อด้วยลวดและการใช้ฟลิปชิปในยุคแรก จนถึงการเกิดขึ้นของไอซีแบบเรียงซ้อน 3 มิติ อุตสาหกรรมต่างพยายามแสวงหาโซลูชันที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นและการเชื่อมต่อที่สั้นลง
ในบริบทนี้ TSV (Through Silicon Via) และ TGV (Through Glass Via) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีการเชื่อมต่อแนวตั้งหลักสองประเภท เทคโนโลยีทั้งสองแตกต่างกันในด้านระบบวัสดุ กระบวนการผลิต คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ และขอบเขตการใช้งาน ซึ่งถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญในการพัฒนาบรรจุภัณฑ์ยุคใหม่
I. TSV: ผู้บุกเบิกด้านบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ
1. หลักการทางเทคนิค
TSV หมายถึงรูเจาะที่มีอัตราส่วนความสูงต่อความกว้างสูง ซึ่งถูกกัดเซาะผ่านพื้นผิวซิลิคอน (โดยทั่วไปมีความลึกหลายสิบถึงหลายร้อยไมครอน) ตามด้วยการสร้างชั้นฉนวน ชั้นโลหะเริ่มต้น และการเติมโลหะ (โดยปกติคือทองแดง) บนผนังของรูเจาะ รูเจาะแนวตั้งเหล่านี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้าความเร็วสูงระหว่างชั้นชิปที่ซ้อนกันได้
2. แผนผังกระบวนการ
กระบวนการผลิต TSV โดยทั่วไปประกอบด้วย:
การกัดเซาะซิลิคอนแบบลึก (Deep Silicon Etching หรือ DRIE): สร้างรูเชื่อมต่อที่มีอัตราส่วนความสูงต่อความกว้างสูงในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน
การเคลือบชั้นฉนวน: โดยทั่วไปจะใช้ SiO₂ ที่เคลือบด้วยวิธี PECVD เพื่อแยกโลหะที่เติมลงไปออกจากพื้นผิวซิลิคอนทางไฟฟ้า
การตกตะกอนชั้นเมล็ดและการชุบด้วยไฟฟ้า: การตกตะกอน PVD ของชั้นเมล็ดโลหะ ตามด้วยการชุบทองแดงด้วยไฟฟ้า
การขัดเงาเชิงกลเคมี (CMP): กำจัดโลหะส่วนเกินเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เรียบเสมอกัน
3. ข้อดีและข้อจำกัด
TSV นำเสนอเส้นทางการเชื่อมต่อที่สั้นมาก ความหน่วงของสัญญาณต่ำ การใช้พลังงานต่ำ และแบนด์วิดท์สูง ทำให้เป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยให้การประมวลผลประสิทธิภาพสูงและหน่วยความจำแบนด์วิดท์สูงเป็นไปได้
อย่างไรก็ตาม TSV ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน:
ปัญหาความเครียดจากความร้อน: ความแตกต่างอย่างมากของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างซิลิคอนและทองแดง อาจลดความน่าเชื่อถือลงได้
ต้นทุนกระบวนการสูง: การกัดเซาะลึก การชุบด้วยไฟฟ้า และการขัดเงาด้วยความร้อน (CMP) เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและไวต่อผลผลิต
ความท้าทายในการเป็นฉนวนไฟฟ้า: ความหนาและความสม่ำเสมอของชั้นฉนวนส่งผลโดยตรงต่อความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้า
เมื่อความหนาแน่นของการรวมชิปเพิ่มขึ้น ความขัดแย้งระหว่างผลผลิตและต้นทุนได้ผลักดันให้เกิดการสำรวจวัสดุทางเลือก ซึ่งก่อให้เกิดโอกาสสำหรับเทคโนโลยี TGV (Through the Versatile Valve)
II. TGV: นวัตกรรมการเชื่อมต่อแบบใช้กระจก
1. หลักการทางเทคนิค
TGV ใช้แผ่นรองพื้นแก้วแทนซิลิคอน มีการสร้างรูเชื่อมต่อที่มีความแม่นยำสูงโดยใช้การเจาะด้วยเลเซอร์หรือการกัดด้วยสารเคมี ตามด้วยการเคลือบชั้นโลหะและการชุบด้วยไฟฟ้า ทำให้ได้การเชื่อมต่อแนวตั้งที่คล้ายกับ TSV
แก้วมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (Dk) การสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำ (Df) และมีความเสถียรทางมิติที่โดดเด่น ทำให้แก้ว TGV เป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการส่งสัญญาณความเร็วสูงและการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก
2. แผนผังกระบวนการ
ขั้นตอนสำคัญในการผลิตรถไฟความเร็วสูง TGV ประกอบด้วย:
การเจาะด้วยเลเซอร์: เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษสามารถสร้างรูขนาดเล็กในกระจกได้ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 20–150 ไมโครเมตร
การตกตะกอนชั้นเริ่มต้น: PVD เช่น การสปัตเตอร์ด้วยแมกเนตรอน จะตกตะกอนชั้นนำไฟฟ้าที่สม่ำเสมอลงบนผนังของรูเชื่อมต่อ
การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า: ทองแดงหรือโลหะผสมนิกเกิล-ทองแดงจะถูกเติมลงในรูเพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าผ่านกระจก
การปรับระนาบและการสร้างลวดลาย: ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อหลายชั้นหรือเชื่อมต่อกับชิป IC ได้
3. ข้อดี
เมื่อเปรียบเทียบกับ TSV แล้ว TGV มีข้อดีหลายประการ:
ค่าการสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำ: ค่า Dk ของแก้วอยู่ที่ประมาณ 1/3 ของซิลิคอน ซึ่งช่วยลดการรบกวนของสัญญาณและการสูญเสียการแทรกสัญญาณ
มีเสถียรภาพทางความร้อนดีเยี่ยม: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนใกล้เคียงกับโลหะ ช่วยลดความเครียดจากความร้อน
ความโปร่งใสทางแสง: รองรับการบูรณาการทางด้านอิเล็กโทรออปติกในโฟโตนิกส์และเซ็นเซอร์
ต้นทุนที่ควบคุมได้: เทคโนโลยีการเจาะด้วยเลเซอร์และการแปรรูปกระจกกำลังพัฒนาไปอย่างต่อเนื่อง เหมาะสำหรับการผลิตแผงขนาดใหญ่
III. TSV เทียบกับ TGV: การเปรียบเทียบและขอบเขตการใช้งาน
| รายการ | TSV (Through Silicon Via) | TGV (Through Glass Via) |
| สารตั้งต้น | ซิลิคอนผลึกเดี่ยว | กระจกชนิดพิเศษ (เช่น Borofloat, Corning, Schott เป็นต้น) |
| เส้นผ่านศูนย์กลางของรู | 5–50 ไมโครเมตร | 20–150 ไมโครเมตร |
| ความลึกของหลุม | 30–100 ไมโครเมตร | 100–400 ไมโครเมตร |
| ฉนวนกันความร้อน | จำเป็นต้องมีชั้นฉนวนเพิ่มเติม | แก้วเป็นฉนวนโดยเนื้อแท้ |
| การจับคู่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน | ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ Cu | เช่นเดียวกับทองแดง มีความเครียดจากความร้อนต่ำ |
| ต้นทุนกระบวนการ | สูง | ค่อนข้างต่ำกว่า |
| แอปพลิเคชัน | การซ้อนภาพแบบ 3 มิติของตรรกะ/หน่วยความจำ | SiP, เซ็นเซอร์, บรรจุภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์, เสาอากาศ, MEMS |
TSV ยังคงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับการเรียงซ้อนแบบ 3 มิติของลอจิกและหน่วยความจำประสิทธิภาพสูง ในขณะที่ TGV กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วในด้าน SiP การรวมระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เซ็นเซอร์ และอุปกรณ์ RF
ด้วยขนาดของแผ่นกระจกที่รองรับการบรรจุภัณฑ์ระดับแผง (PLP) ทำให้ TGV กลายเป็นแพลตฟอร์มการเชื่อมต่อที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการสื่อสาร 5G, เรดาร์ยานยนต์, เลนส์ AR และการบรรจุภัณฑ์ Mini/Micro LED
IV. จากซิลิคอนสู่กระจก: ประโยชน์ในระดับระบบ
การนำกระจกมาใช้ไม่ได้เป็นเพียงการเปลี่ยนวัสดุเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงในปรัชญาการออกแบบในระดับระบบอีกด้วย
ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า: กระจกที่มีค่า Dk ต่ำ ช่วยลดความล่าช้าของสัญญาณและการใช้พลังงานได้อย่างมาก
ความสมบูรณ์ของโครงสร้าง: TGV ให้ความเรียบผิวที่ดีกว่าและลดการบิดเบี้ยวได้ดีกว่าสำหรับบรรจุภัณฑ์ขนาดใหญ่
ความยืดหยุ่นในการผลิต: การประมวลผลด้วยเลเซอร์ร่วมกับการเคลือบ PVD แบบสุญญากาศ ช่วยให้มีความเข้ากันได้ของกระบวนการสูงและปรับขนาดได้สะดวก
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับการรวมระบบอิเล็กโทรออปติก ความโปร่งใสทางแสงของกระจกช่วยให้สามารถออกแบบบรรจุภัณฑ์ที่พื้นผิวรองรับไม่เพียงแต่การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงท่อนำแสง เลนส์ และหน้าต่างเซ็นเซอร์ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำได้ยากด้วย TSV
สารละลายเคลือบชั้นเมล็ดพันธุ์สุญญากาศ TGV ของ V. ZhenHua
ข้อดีของอุปกรณ์:
การเพิ่มประสิทธิภาพการเคลือบรูทะลุลึก: เทคโนโลยีการเคลือบรูทะลุลึกที่เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะ สามารถรองรับรูทะลุขนาดเล็กถึง 30 ไมโครเมตร ด้วยอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงมากกว่า 10:1 ช่วยแก้ปัญหาความท้าทายที่ซับซ้อนของรูทะลุลึกได้
สามารถปรับแต่งได้สำหรับขนาดต่างๆ: รองรับแผ่นกระจกขนาดต่างๆ เช่น 600×600 มม., 510×515 มม. หรือใหญ่กว่านั้น
ความยืดหยุ่นของกระบวนการ: สามารถใช้งานร่วมกับทองแดง ไทเทเนียม นิกเกล แพลทินัม และฟิล์มบางนำไฟฟ้าหรือฟิล์มบางที่มีคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านไฟฟ้าและความต้านทานการกัดกร่อนที่หลากหลาย
ประสิทธิภาพการทำงานที่เสถียรและการบำรุงรักษาที่ง่าย: มาพร้อมระบบควบคุมอัจฉริยะสำหรับการปรับพารามิเตอร์อัตโนมัติและการตรวจสอบความสม่ำเสมอของความหนาแบบเรียลไทม์ การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้นและลดเวลาหยุดทำงาน
ขอบเขตการใช้งาน: เหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง TGV/TSV/TMV ที่สามารถเคลือบชั้นเมล็ดของรูเชื่อมต่อได้อย่างลึกด้วยอัตราส่วนความกว้างต่อความลึก 10:1
—บทความนี้เผยแพร่โดยอุปกรณ์เคลือบสุญญากาศ ผู้ผลิต Zhenhua Vacuum
วันที่โพสต์: 16 ตุลาคม 2568