Con la rapida crescita dell'elaborazione basata sull'intelligenza artificiale, delle comunicazioni 5G/6G e delle applicazioni RF ad alta frequenza, le interconnessioni tradizionali basate sul silicio (TSV) sono sempre più limitate dalla perdita di segnale, dallo stress termico e dai vincoli di costo. In questo contesto, Tecnologia TGV (Through Glass Via) isi sta affermando come una svolta fondamentale nel settore del packaging avanzato dei semiconduttori.
La tecnologia TGV consente l'interconnessione elettrica verticale attraverso la formazione e la metallizzazione di microvie in substrati di vetro ultrasottili. È ampiamente considerata una tecnologia abilitante fondamentale per il packaging 2.5D/3D e le architetture Chiplet.
1. Che cos'è il TGV (Through Glass Via)?
TGV indica il processo di creazione vie verticali su scala micrometrica (10–50 μm) in substrati di vetro ultrasottili (100–700 μm) come il vetro borosilicato o la silice fusa, seguita dalla metallizzazione (in genere con rivestimento in rame) per formare percorsi conduttivi.
Sostituisce i tradizionali interposer TSV (Through Silicon Via) e offre vantaggi quali:
- Minore perdita di segnale
- Riduzione dello stress termico
- Costi di produzione inferiori
- Prestazioni migliori alle alte frequenze
2. Principio di funzionamento fondamentale
Una struttura tipica del TGV è composta da:
- Substrato di vetro (supporto dielettrico)
- Struttura a microvie verticali
- Vie conduttive riempite di metallo (rame)
Queste strutture consentono interconnessioni verticali ad alta densità tra chip o moduli, particolarmente adatte alla trasmissione di segnali ad alta velocità e ad alta frequenza.
3. Flusso di lavoro standard del TGV
1) Preparazione del substrato
- Pulizia e asciugatura
- Rivestimento con fotoresist / litografia
- Rimozione dei contaminanti superficiali
2) Foratura laser dei fori passanti (processo chiave)
La lavorazione laser ultraveloce (laser a picosecondi o a femtosecondi) viene utilizzata per modificare le strutture interne del vetro:
- Provoca microfessurazioni o zone alterate
- Crea un elevato rapporto di aspetto tramite canali
- Raggiunge diametri fino a 3 μm
- Formato fino a 150:1
- Tramite l'uniformità > 95%
Questa è la fase più cruciale nella produzione del TGV.
3) Incisione a umido e pulizia
- Incisione chimica HF/BHF
- Rimozione delle aree modificate dal laser
- Levigatura tramite le pareti laterali
- Controllo preciso del diametro
- Rimozione degli agenti contaminanti
4) Metallizzazione (fase critica)
(1) Deposizione dello strato di base
- Deposizione per sputtering di strati di Ti/Cu o AlN/Cu
- Garantisce l'adesione e la conduttività
(2) Galvanizzazione del rame
- Galvanizzazione a impulsi o in corrente continua
- Riempimento senza vuoti
(3) Livellamento della superficie
- Lucidatura chimico-meccanica (CMP)
- Trattamento superficiale antiossidante
5) Livello di ridistribuzione (RDL) e bumping
- Cablaggio RDL ultra-sottile
- Riga/spazio fino a ≤2 μm
- Routing multistrato (fino a 6 strati RDL)
- Pilastri in rame o protuberanze di saldatura per il collegamento
6) Collaudo e taglio
- Prove elettriche
- Taglio dei wafer
- Controllo finale e imballaggio
4. Confronto tra le principali tecnologie di formazione dei fori passanti
| Tecnologia | Vantaggi | Svantaggi | Applicazioni |
|---|---|---|---|
| Laser ultraveloce + incisione a umido | Elevata precisione, fori di interconnessione da 3 a 10 μm, elevato rapporto di aspetto, eccellente uniformità | Costi elevati delle attrezzature, processo complesso | Chip per l'intelligenza artificiale, HBM, applicazioni RF |
| Foratura diretta al laser | Basso costo, alta velocità | Fianchi ruvidi, rapporto di aspetto ridotto (<20:1) | Vie di grandi dimensioni, impiego a bassa frequenza |
| Incisione a secco (RIE/ICP) | Elevata precisione, pareti laterali verticali | Lento, costoso | Vie ultracompatte (<5 μm) |
5. Tecnologia di metallizzazione PVD su substrato di vetro
Nella produzione di TGV, tecnologia di rivestimento PVD su vetro svolge un ruolo fondamentale nel garantire l'affidabilità delle strutture di interconnessione.
Caratteristiche del processo
- Sputtering PVD interno di grado semiconduttore
- Deposizione di rame ad alta adesione
- Spessore massimo del rame fino a 10 μm
- Ottima uniformità dello spessore
- Bassa deformazione e elevata planarità
Vantaggi dei materiali
- Elevata durezza
- Eccellente resistenza all'usura
- Elevata resistenza alla corrosione
- Proprietà chimiche stabili
- Prestazioni del rivestimento di lunga durata
6. Principali vantaggi della tecnologia TGV
Rispetto alla tradizionale tecnologia TSV, la TGV offre:
- Minori perdite di trasmissione del segnale (ideale per applicazioni ad alta frequenza)
- Riduzione dello stress termico (migliore corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica del vetro)
- Possibilità di ridurre i costi di produzione
- Elevata stabilità dimensionale
- Maggiore idoneità per architetture di interconnessione ad alta densità
7. Campi di applicazione
La tecnologia TGV si sta rapidamente diffondendo nei seguenti settori:
- Confezionamento di chip per l'elaborazione AI
- Memoria ad alta larghezza di banda (HBM)
- Moduli front-end RF 5G/6G
- Fotonica al silicio e interconnessioni ottiche (CPO)
- Integrazione eterogenea di chiplet
- Interconnessioni ad alta velocità per data center
8. Prospettive del settore
Man mano che il packaging avanzato continua a evolversi verso una maggiore densità, un minor consumo energetico e un funzionamento a frequenze più elevate, la tecnologia TGV sta diventando una tecnologia fondamentale per:
Architetture di interconnessione 3D nell'era post-Moore
Tra le tendenze di sviluppo future figurano:
- Strutture via inferiori a 5 μm
- Integrazione RDL ad alta densità
- Maggiore uniformità nella produzione di massa
- Profonda integrazione con i sistemi basati su chiplet
Conclusione
La tecnologia TGV (Through Glass Via) si sta affermando come soluzione di interconnessione di nuova generazione grazie alle sue prestazioni ad alta frequenza, al basso stress termico e all'efficienza in termini di costi.
I suoi principali progressi risiedono in:
- Formazione di fori tramite laser ultraveloce
- Galvanizzazione del rame senza pori
- Fresatura RDL multistrato ultrafine
Con l'adozione su scala commerciale prevista nei prossimi anni, la tecnologia TGV svolgerà un ruolo fondamentale nel rendere possibili i sistemi di elaborazione basati sull'intelligenza artificiale e le comunicazioni ad alta velocità.