Angesichts des rasanten Wachstums in den Bereichen KI-Rechenleistung, 5G/6G-Kommunikation und Hochfrequenz-HF-Anwendungen stoßen herkömmliche siliziumbasierte Verbindungen (TSV) zunehmend an ihre Grenzen, was Signalverluste, thermische Belastungen und Kostenbeschränkungen betrifft. Vor diesem Hintergrund, Through Glass Via (TGV)-Technologie is entwickelt sich zu einem entscheidenden Durchbruch im Bereich der modernen Halbleiterverpackung.
TGV ermöglicht vertikale elektrische Verbindungen durch die Herstellung und Metallisierung von Mikrovias in ultradünnen Glassubstraten. Es gilt weithin als eine zentrale Schlüsseltechnologie für 2,5D-/3D-Verpackungen und Chiplet-Architekturen.
1. Was ist TGV (Through Glass Via)?
TGV bezeichnet den Prozess der Erstellung vertikale Durchkontaktierungen im Mikrometerbereich (10–50 μm) in ultradünne Glassubstrate (100–700 μm) wie Borosilikatglas oder Quarzglas, gefolgt von einer Metallisierung (in der Regel mit Kupfer) zur Bildung leitfähiger Bahnen.
Es ersetzt herkömmliche TSV-Interposer (Through Silicon Via) und bietet folgende Vorteile:
- Geringerer Signalverlust
- Geringere thermische Belastung
- Geringere Herstellungskosten
- Bessere Hochtonwiedergabe
2. Grundlegendes Funktionsprinzip
Ein typischer TGV-Aufbau besteht aus:
- Glassubstrat (dielektrischer Träger)
- Vertikale Microvia-Struktur
- Mit Metall gefüllte leitfähige Durchkontaktierungen (Kupfer)
Diese Strukturen ermöglichen vertikale Verbindungen mit hoher Dichte zwischen Chips oder Modulen und eignen sich besonders für die Übertragung von Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignalen.
3. Standard-TGV-Prozessablauf
1) Vorbereitung des Untergrunds
- Reinigen und Trocknen
- Fotolackbeschichtung / Lithografie
- Entfernung von Oberflächenverunreinigungen
2) Laser-Via-Bohren (Schlüsselprozess)
Die ultraschnelle Laserbearbeitung (Pikosekunden- oder Femtosekundenlaser) wird zur Veränderung der inneren Glasstrukturen eingesetzt:
- Verursacht Mikrorisse oder veränderte Bereiche
- Bildet durch Kanäle ein hohes Seitenverhältnis
- Erreicht Durchmesser bis hinunter zu 3 μm
- Seitenverhältnis bis zu 150:1
- Über Einheitlichkeit > 95%
Dies ist der entscheidende Schritt bei der Herstellung des TGV.
3) Nassätzen und Reinigen
- HF/BHF-Ätzen
- Entfernung laserbehandelter Bereiche
- Glättung über die Seitenwände
- Präzise Durchmesserkontrolle
- Entfernung von Schadstoffen
4) Metallisierung (entscheidender Schritt)
(1) Aufbringen einer Grundschicht
- Sputtern von Ti/Cu- oder AlN/Cu-Schichten
- Gewährleistet Haftung und Leitfähigkeit
(2) Kupfergalvanisierung
- Impuls- oder Gleichstromgalvanisierung
- Hohlraumfrei durch Verfüllung
(3) Oberflächenplanarisierung
- Chemisch-mechanisches Polieren (CMP)
- Oberflächenbehandlung zur Verhinderung von Oxidation
5) Redistribution Layer (RDL) und Bumping
- Ultrafeine RDL-Verdrahtung
- Zeile/Zeilenabstand nach unten ≤ 2 μm
- Mehrschicht-Leiterplattenherstellung (bis zu 6 RDL-Schichten)
- Kupfersäulen oder Lötperlen zum Verbinden
6) Testen und Zerteilen
- Elektrische Prüfungen
- Wafer-Zerkleinerung
- Endkontrolle und Verpackung
4. Vergleich der wichtigsten Technologien zur Herstellung von Durchkontaktierungen
| Technologie | Vorteile | Nachteile | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Ultraschneller Laser + Nassätzen | Hohe Präzision, Durchkontaktierungen von 3–10 μm, hohes Seitenverhältnis, hervorragende Gleichmäßigkeit | Hohe Anschaffungskosten, komplexer Prozess | KI-Chips, HBM, HF-Anwendungen |
| Direktes Laserbohren | Niedrige Kosten, hohe Geschwindigkeit | Raue Seitenwände, geringe Seitenverhältnis (<20:1) | Große Durchkontaktierungen, Einsatz im Niederfrequenzbereich |
| Trockenätzung (RIE/ICP) | Hohe Präzision, senkrechte Seitenwände | Langsam, teuer | Extrem kleine Durchkontaktierungen (<5 μm) |
5. PVD-Metallisierungstechnologie auf Glasbasis
Bei der Herstellung von TGV-Zügen, PVD-Beschichtungstechnologie auf Glasbasis spielt eine entscheidende Rolle bei der Realisierung zuverlässiger Verbindungsstrukturen.
Prozessmerkmale
- Hausinterne PVD-Sputtertechnik in Halbleiterqualität
- Kupferaufbringung mit hoher Haftkraft
- Maximale Kupferdicke bis zu 10 μm
- Hervorragende Gleichmäßigkeit der Dicke
- Geringe Verformung und hohe Ebenheit
Vorteile des Materials
- Hohe Härte
- Hervorragende Verschleißfestigkeit
- Hohe Korrosionsbeständigkeit
- Stabile chemische Eigenschaften
- Langlebige Beschichtungsleistung
6. Die wichtigsten Vorteile der TGV-Technologie
Im Vergleich zur herkömmlichen TSV-Technologie bietet TGV folgende Vorteile:
- Geringerer Signalübertragungsverlust (ideal für Hochfrequenzanwendungen)
- Geringere thermische Belastung (bessere Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas)
- Potenzial für niedrigere Herstellungskosten
- Hohe Dimensionsstabilität
- Bessere Eignung für dichte Verbindungsarchitekturen
7. Anwendungsbereiche
Die TGV-Technologie breitet sich rasch aus in:
- Verpackung von KI-Rechenchips
- High-Bandwidth Memory (HBM)
- 5G/6G-HF-Frontend-Module
- Siliziumphotonik und optische Verbindungen (CPO)
- Heterogene Chiplet-Integration
- Hochgeschwindigkeitsverbindungen für Rechenzentren
8. Branchenausblick
Da sich die fortschrittliche Verpackungstechnik immer weiter in Richtung höherer Packungsdichte, geringerer Leistungsaufnahme und höherer Betriebsfrequenzen entwickelt, wird TGV zu einer grundlegenden Technologie für:
3D-Verbindungsarchitekturen in der Post-Moore-Ära
Zu den zukünftigen Entwicklungstrends gehören:
- Via-Strukturen unter 5 μm
- RDL-Integration mit höherer Dichte
- Verbesserte Konsistenz in der Serienfertigung
- Enge Integration in Chiplet-basierte Systeme
Schlussfolgerung
Die TGV-Technologie (Through Glass Via) entwickelt sich aufgrund ihrer Hochfrequenzleistung, der geringen thermischen Belastung und ihrer Kosteneffizienz zu einer Verbindungslösung der nächsten Generation.
Die wichtigsten Neuerungen liegen in:
- Herstellung von Durchkontaktierungen mittels Ultrakurzpulslaser
- Hohlraumfreie Kupfergalvanisierung
- Ultrafeine mehrschichtige RDL-Leiterbahnführung
Da in den kommenden Jahren eine Einführung im kommerziellen Maßstab erwartet wird, wird TGV eine entscheidende Rolle bei der Realisierung von KI-Rechen- und Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen spielen.