Trong quá trình phát triển công nghệ đóng gói bán dẫn, các kết nối dọc luôn là yếu tố then chốt quyết định hiệu năng hệ thống, kích thước và mức tiêu thụ điện năng. Từ những kỹ thuật nối dây và lật chip ban đầu đến sự xuất hiện của các IC xếp chồng 3D, ngành công nghiệp luôn tìm kiếm các giải pháp kết nối có mật độ cao hơn và chiều dài ngắn hơn.
Trong bối cảnh này, TSV (Through Silicon Via) và TGV (Through Glass Via) đã nổi lên như hai công nghệ kết nối dọc chủ đạo. Chúng khác nhau về hệ thống vật liệu, quy trình sản xuất, đặc tính hiệu suất và lĩnh vực ứng dụng, đại diện cho một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển bao bì thế hệ tiếp theo.
I. TSV: Nhà tiên phong trong lĩnh vực bao bì 3D
1. Nguyên lý kỹ thuật
TSV (Transfer-Variable Via) là thuật ngữ chỉ các lỗ xuyên có tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng cao được khắc xuyên qua chất nền silicon (thường sâu từ vài chục đến vài trăm micromet), tiếp theo là sự hình thành lớp cách điện, lớp mầm kim loại và lớp kim loại lấp đầy (thường là đồng) trên thành lỗ. Các lỗ xuyên thẳng đứng này cho phép kết nối điện tốc độ cao giữa các lớp chip xếp chồng lên nhau.
2. Quy trình
Quy trình chế tạo TSV điển hình bao gồm:
Khắc sâu silicon (DRIE): Tạo các lỗ xuyên có tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng cao trong tấm silicon.
Lớp cách điện được lắng đọng: Thường là SiO₂ được lắng đọng bằng phương pháp PECVD để cách điện giữa lớp kim loại và chất nền silicon.
Phương pháp lắng đọng lớp mầm và mạ điện: Lắng đọng lớp mầm kim loại bằng phương pháp PVD, sau đó mạ điện đồng.
Đánh bóng cơ học hóa học (CMP): Loại bỏ lượng kim loại thừa để đạt được bề mặt phẳng.
3. Ưu điểm và hạn chế
TSV cung cấp đường dẫn kết nối cực ngắn, độ trễ tín hiệu thấp, tiêu thụ điện năng thấp và băng thông cao, trở thành yếu tố then chốt cho điện toán hiệu năng cao và bộ nhớ băng thông rộng.
Tuy nhiên, TSV cũng có những hạn chế:
Các vấn đề về ứng suất nhiệt: Sự chênh lệch lớn về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa silicon và đồng có thể làm giảm độ tin cậy.
Chi phí xử lý cao: Khắc sâu, mạ điện và CMP là những quy trình phức tạp và nhạy cảm với năng suất.
Những thách thức trong cách điện: Độ dày và tính đồng nhất của lớp cách điện ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền điện môi.
Khi mật độ tích hợp chip tăng lên, mâu thuẫn giữa năng suất và chi phí đã thúc đẩy việc tìm kiếm các vật liệu thay thế—tạo ra cơ hội cho công nghệ TGV.
II. TGV: Đổi mới kết nối dựa trên thủy tinh
1. Nguyên lý kỹ thuật
Công nghệ TGV sử dụng chất nền thủy tinh thay vì silicon. Các lỗ xuyên mạch có độ chính xác cao được tạo ra bằng cách khoan laser hoặc khắc ướt, tiếp theo là lắng đọng một lớp màng kim loại và mạ điện, tạo ra các kết nối thẳng đứng tương tự như TSV.
Thủy tinh có khả năng cách điện tuyệt vời, hằng số điện môi thấp (Dk), tổn hao điện môi thấp (Df) và độ ổn định kích thước vượt trội, khiến TGV trở nên rất hấp dẫn cho việc truyền tín hiệu tốc độ cao và đóng gói quang điện tử.
2. Quy trình
Các bước chính trong quy trình chế tạo TGV bao gồm:
Khoan bằng laser: Tia laser siêu nhanh tạo ra các lỗ siêu nhỏ trong thủy tinh với đường kính thường dao động từ 20–150 μm.
Phương pháp lắng đọng lớp mầm: PVD, chẳng hạn như phương pháp phún xạ magnetron, lắng đọng một lớp dẫn điện đồng nhất trên thành lỗ.
Mạ điện kim loại: Đồng hoặc hợp kim niken-đồng được dùng để lấp đầy các lỗ nhỏ trên kính, tạo thành các kết nối điện xuyên qua kính.
Làm phẳng và tạo hình: Cho phép kết nối nhiều lớp hoặc liên kết với các chip IC.
3. Ưu điểm
So với TSV, TGV thể hiện một số ưu điểm:
Tổn hao điện môi thấp: Hằng số điện môi của thủy tinh chỉ bằng khoảng 1/3 so với silicon, giúp giảm nhiễu xuyên tín hiệu và tổn hao chèn.
Độ ổn định nhiệt tuyệt vời: Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) gần với kim loại, giảm thiểu ứng suất nhiệt.
Độ trong suốt quang học: Hỗ trợ tích hợp quang điện tử trong quang học và cảm biến.
Chi phí có thể kiểm soát: Công nghệ khoan laser và gia công kính đang ngày càng hoàn thiện, phù hợp cho sản xuất tấm kính diện tích lớn.
III. TSV so với TGV: So sánh và các lĩnh vực ứng dụng
| Mục | TSV (Through Silicon Via) | TGV (Through Glass Via) |
| Chất nền | Silic đơn tinh thể | Các loại kính chuyên dụng (Borofloat, Corning, Schott, v.v.) |
| Đường kính lỗ | 5–50 μm | 20–150 μm |
| Độ sâu lỗ | 30–100 μm | 100–400 μm |
| Cách nhiệt | Cần thêm lớp cách nhiệt | Thủy tinh vốn dĩ có tính cách điện. |
| Phù hợp hệ số giãn nở nhiệt | Có sự khác biệt đáng kể so với Cu | Tương tự như Cu, ứng suất nhiệt thấp |
| Chi phí quy trình | Cao | Tương đối thấp hơn |
| Ứng dụng | Xếp chồng 3D logic/bộ nhớ | SiP, cảm biến, bao bì quang điện tử, anten, MEMS |
TSV vẫn là lựa chọn chủ đạo cho việc xếp chồng 3D logic và bộ nhớ hiệu năng cao, trong khi TGV đang nhanh chóng mở rộng trong SiP, tích hợp quang điện tử, cảm biến và thiết bị RF.
Với kích thước đế thủy tinh đạt đến mức đóng gói cấp tấm (PLP), TGV đang trở thành nền tảng kết nối lý tưởng cho truyền thông 5G, radar ô tô, quang học AR và đóng gói Mini/Micro LED.
IV. Từ Silicon đến Thủy tinh: Lợi ích ở cấp độ hệ thống
Việc đưa kính vào sử dụng không chỉ đơn thuần là thay thế vật liệu; nó còn thể hiện sự thay đổi trong triết lý thiết kế ở cấp độ hệ thống.
Hiệu năng điện: Kính có hằng số điện môi thấp (Dk thấp) giúp giảm đáng kể độ trễ tín hiệu và mức tiêu thụ điện năng.
Độ bền cấu trúc: TGV mang lại độ phẳng cao hơn và độ cong vênh thấp hơn cho bao bì diện tích lớn.
Tính linh hoạt trong sản xuất: Công nghệ xử lý laser kết hợp với PVD chân không cho phép khả năng tương thích và mở rộng quy mô quy trình cao.
Đặc biệt, đối với tích hợp quang điện tử, tính trong suốt quang học của thủy tinh cho phép thiết kế bao bì trong đó chất nền không chỉ hỗ trợ các kết nối điện mà còn cả các ống dẫn sóng, thấu kính và cửa sổ cảm biến, điều khó đạt được với TSV.
Dung dịch phủ lớp mầm chân không V. ZhenHua TGV
Ưu điểm của thiết bị:
Tối ưu hóa lớp phủ lỗ xuyên sâu: Công nghệ phủ lỗ xuyên sâu độc quyền có khả năng xử lý các lỗ xuyên nhỏ đến 30 μm với tỷ lệ chiều cao/chiều rộng >10:1, giải quyết các thách thức phức tạp về lỗ xuyên sâu.
Có thể tùy chỉnh cho nhiều kích thước khác nhau: Hỗ trợ các chất nền bằng kính bao gồm 600×600 mm, 510×515 mm hoặc lớn hơn.
Tính linh hoạt trong quy trình: Tương thích với các màng mỏng dẫn điện hoặc chức năng bằng Cu, Ti, Ni, Pt và các vật liệu khác để đáp ứng các yêu cầu đa dạng về điện và khả năng chống ăn mòn.
Hiệu suất ổn định & Dễ bảo trì: Được trang bị hệ thống điều khiển thông minh để tự động điều chỉnh thông số và giám sát độ đồng đều độ dày theo thời gian thực; thiết kế dạng mô-đun giúp đơn giản hóa việc bảo trì và giảm thời gian ngừng hoạt động.
Phạm vi ứng dụng: Thích hợp cho bao bì tiên tiến TGV/TSV/TMV, đạt được lớp phủ mầm xuyên sâu với tỷ lệ chiều cao/chiều rộng 10:1.
—Bài viết này được xuất bản bởithiết bị phủ chân không Nhà sản xuất Zhenhua Vacuum
Thời gian đăng bài: 16 tháng 10 năm 2025