S rychlým rozvojem výpočetních technologií založených na umělé inteligenci, komunikací 5G/6G a vysokofrekvenčních aplikací se tradiční propojovací technologie na bázi křemíku (TSV) potýkají s čím dál většími omezeními v podobě ztrát signálu, tepelného namáhání a nákladových omezení. V této souvislosti, Technologie Through Glass Via (TGV) ise jeví jako zásadní průlom v oblasti moderních technologií balení polovodičů.
Technologie TGV umožňuje vertikální elektrické propojení prostřednictvím vytváření a pokovování mikroprůchodů v ultratenkých skleněných substrátech. Je obecně považována za klíčovou technologii pro 2,5D/3D balení a architektury typu „chiplet“.
1. Co je TGV (Through Glass Via)?
Zkratka TGV označuje proces vytváření vertikální průchody v mikrometrovém měřítku (10–50 μm) v ultratenké skleněné podložky (100–700 μm) jako je borosilikátové sklo nebo tavený křemík, načež následuje metalizace (obvykle vyplnění mědí) za účelem vytvoření vodivých drah.
Nahrazuje tradiční mezivrstvy typu TSV (Through Silicon Via) a nabízí následující výhody:
- Menší ztráty signálu
- Snížené tepelné namáhání
- Nižší výrobní náklady
- Lepší výkon ve vysokých frekvencích
2. Základní princip fungování
Typická struktura TGV se skládá z:
- Skleněný substrát (dielektrický nosič)
- Vertikální struktura mikrovií
- Vodičové průchody s kovovou výplní (měď)
Tyto struktury umožňují vertikální propojení s vysokou hustotou mezi čipy nebo moduly a jsou zvláště vhodné pro přenos vysokorychlostních a vysokofrekvenčních signálů.
3. Standardní postup při provozu TGV
1) Příprava podkladu
- Čištění a sušení
- Nanášení fotorezistu / litografie
- Odstranění povrchových nečistot
2) Vrtání průchodů laserem (klíčový proces)
K úpravě vnitřní struktury skla se využívá ultrarychlé laserové zpracování (pikosekundové nebo femtosekundové lasery):
- Vytváří mikrotrhliny nebo zóny s odlišnou strukturou
- Vytváří vysoký poměr stran pomocí kanálků
- Dosahuje toho díky průměrům již od 3 μm
- Poměr stran až 150:1
- Prostřednictvím jednotnosti > 95%
Toto je nejdůležitější fáze výroby vlaků TGV.
3) Mokré leptání a čištění
- Chemické leptání HF/BHF
- Odstranění oblastí upravených laserem
- Vyhlazení pomocí bočních stěn
- Přesné řízení průměru
- Odstraňování znečišťujících látek
4) Metalizace (klíčový krok)
(1) Nanášení základního nátěru
- Nanesení vrstev Ti/Cu nebo AlN/Cu metodou rozprašování
- Zajišťuje přilnavost a vodivost
(2) Galvanické pokovování mědí
- Impulzní nebo stejnosměrné galvanické pokovování
- Bez mezer díky vyplnění
(3) Vyrovnání povrchu
- Chemicko-mechanické leštění (CMP)
- Povrchová úprava proti oxidaci
5) Redistribution Layer (RDL) a bumping
- Ultrajemné zapojení RDL
- Řádek/mezera dolů na ≤ 2 μm
- Vícevrstvé trasování (až 6 vrstev RDL)
- Měděné sloupky nebo pájecí výstupky pro spojování
6) Testování a řezání
- Elektrické zkoušky
- Řezání destiček
- Závěrečná kontrola a balení
4. Srovnání hlavních technologií vytváření průchodů
| Technologie | Výhody | Nevýhody | Aplikace |
|---|---|---|---|
| Ultrarychlý laser + mokré leptání | Vysoká přesnost, průchody o velikosti 3–10 μm, vysoký poměr stran, vynikající rovnoměrnost | Vysoké náklady na vybavení, složitý proces | Čipy pro umělou inteligenci, HBM, aplikace v oblasti vysokofrekvenční techniky |
| Přímé laserové vrtání | Nízké náklady, vysoká rychlost | Hrubé bočnice, nízký poměr výšky a šířky (<20:1) | Velké průchody, použití v nízkofrekvenčním pásmu |
| Suché leptání (RIE/ICP) | Vysoká přesnost, svislé boční stěny | Pomalé, drahé | Extrémně malé průchody (<5 μm) |
5. Technologie PVD metalizace na skleněném podkladu
Při výrobě vlaků TGV, technologie PVD povlakování na skleněném podkladu hraje klíčovou podpůrnou roli při vytváření spolehlivých propojovacích struktur.
Vlastnosti procesu
- Vlastní PVD naprašování v polovodičové kvalitě
- Nanášení mědi s vysokou přilnavostí
- Maximální tloušťka mědi až 10 μm
- Vynikající rovnoměrnost tloušťky
- Nízká tendence k deformaci a vysoká rovinnost
Výhody materiálu
- Vysoká tvrdost
- Vynikající odolnost proti opotřebení
- Vysoká odolnost proti korozi
- Stabilní chemické vlastnosti
- Dlouhodobá účinnost povrchové úpravy
6. Hlavní výhody technologie TGV
Ve srovnání s tradiční technologií TSV nabízí technologie TGV:
- Nižší ztráty při přenosu signálu (ideální pro vysokofrekvenční aplikace)
- Snížené tepelné namáhání (lepší přizpůsobení koeficientu tepelné roztažnosti skla)
- Možnost snížení výrobních nákladů
- Vysoká rozměrová stabilita
- Vhodnější pro architektury s hustou sítí propojení
7. Oblasti použití
Technologie TGV se rychle rozšiřuje do následujících oblastí:
- Balení čipů pro umělou inteligenci
- Paměť s vysokou šířkou pásma (HBM)
- Moduly RF front-endu pro sítě 5G/6G
- Křemíková fotonika a optické propojení (CPO)
- Heterogenní integrace čipových modulů
- Vysokorychlostní propojení datových center
8. Výhled v odvětví
Vzhledem k tomu, že se moderní obalové technologie neustále vyvíjejí směrem k vyšší hustotě, nižší spotřebě energie a provozu při vyšších frekvencích, stává se technologie TGV základním prvkem pro:
Architektury 3D propojení v éře po Mooreově zákonu
Mezi budoucí trendy v oblasti vývoje patří:
- Propojovací struktury menší než 5 μm
- Integrace RDL s vyšší hustotou
- Zlepšená konzistence sériové výroby
- Hluboká integrace se systémy založenými na čipových modulech
Závěr
Technologie TGV (Through Glass Via) se díky svým vysokofrekvenčním vlastnostem, nízkému tepelnému namáhání a nákladové efektivitě prosazuje jako propojovací řešení nové generace.
Jeho hlavní přínosy spočívají v:
- Vytváření průchodů pomocí ultrarychlého laseru
- Galvanické pokovování mědí bez dutin
- Ultrajemné vícevrstvé frézování RDL
Vzhledem k tomu, že se v příštích letech očekává zavedení této technologie v komerčním měřítku, bude TGV hrát klíčovou roli při umožňování výpočetních systémů umělé inteligence a vysokorychlostních komunikačních systémů.