Door de snelle groei van AI-computing, 5G/6G-communicatie en hoogfrequente RF-toepassingen stuiten traditionele, op silicium gebaseerde verbindingen (TSV’s) steeds vaker op beperkingen als gevolg van signaalverlies, thermische belasting en kostenbeperkingen. Tegen deze achtergrond, TGV-technologie (Through Glass Via) iontpopt zich als een belangrijke doorbraak op het gebied van geavanceerde halfgeleiderverpakkingen.
TGV maakt verticale elektrische verbindingen mogelijk door microvia’s te vormen en te metalliseren in ultradunne glazen substraten. Deze technologie wordt algemeen beschouwd als een essentiële basis voor 2,5D/3D-verpakkingen en chiplet-architecturen.
1. Wat is TGV (Through Glass Via)?
TGV verwijst naar het proces van het creëren van verticale doorgangen op micrometerschaal (10–50 μm) in ultradunne glazen substraten (100–700 μm) zoals borosilicaatglas of gesmolten siliciumdioxide, gevolgd door metallisatie (meestal met koper) om geleidende banen te vormen.
Het vervangt traditionele TSV-interposers (Through Silicon Via) en biedt voordelen zoals:
- Minder signaalverlies
- Verminderde thermische belasting
- Lagere productiekosten
- Betere prestaties bij hoge frequenties
2. Het belangrijkste werkingsprincipe
Een typische TGV-structuur bestaat uit:
- Glazen substraat (diëlektrische drager)
- Verticale microvia-structuur
- Met metaal gevulde geleidende doorgangen (koper)
Deze structuren maken verticale verbindingen met hoge dichtheid tussen chips of modules mogelijk, wat met name geschikt is voor de overdracht van signalen met hoge snelheid en hoge frequentie.
3. Standaard TGV-processtroom
1) Voorbereiding van het substraat
- Reinigen en drogen
- Aanbrengen van fotoresist / lithografie
- Verwijdering van oppervlakteverontreinigingen
2) Laserboren van via-gaten (kernproces)
Bij ultrasnelle laserbewerking (met picoseconde- of femtosecondelasers) worden de interne structuren van glas gewijzigd:
- Veroorzaakt microscheurtjes of aangetaste zones
- Vormt een hoge beeldverhouding via kanalen
- Bereikt via diameters tot 3 μm
- Beeldverhouding tot 150:1
- Via uniformiteit > 95%
Dit is de meest cruciale stap in de productie van de TGV.
3) Natetsen en reinigen
- HF/BHF-chemisch etsen
- Verwijdering van door laser bewerkte gebieden
- Afvlakking via zijwanden
- Nauwkeurige diameterregeling
- Verwijdering van verontreinigingen
4) Metallisatie (cruciale stap)
(1) Aanbrengen van een zaadlaag
- Het sputteren van Ti/Cu- of AlN/Cu-lagen
- Zorgt voor hechting en geleiding
(2) Koperelektrolytisch galvaniseren
- Puls- of gelijkstroomgalvaniseren
- Vervulling zonder holtes
(3) Oppervlakte-egalisatie
- Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP)
- Antioxidatieve oppervlaktebehandeling
5) Herverdelingslaag (RDL) en bumping
- Ultrafijne RDL-bedrading
- Regel/spatie naar beneden ≤2 μm
- Meerlaagse routing (tot 6 RDL-lagen)
- Koperen pinnen of soldeerbobbels voor het verbinden
6) Testen en in stukjes snijden
- Elektrische tests
- Het snijden van wafers
- Eindcontrole en verpakking
4. Vergelijking van de belangrijkste technologieën voor de vorming van doorvoergaten
| Technologie | Voordelen | Nadelen | Toepassingen |
|---|---|---|---|
| Ultrasnelle laser + nat etsen | Hoge precisie, doorgangen van 3–10 μm, hoge aspectverhouding, uitstekende uniformiteit | Hoge kosten voor apparatuur, complex proces | AI-chips, HBM, RF-toepassingen |
| Direct laserboren | Goedkoop, snel | Ruwe zijwanden, lage hoogte-breedteverhouding (<20:1) | Grote doorvoergaten, gebruik bij lage frequenties |
| Droogetsen (RIE/ICP) | Hoge precisie, verticale zijwanden | Traag, duur | Ultrakleine doorvoergaten (<5 μm) |
5. PVD-metallisatietechnologie op glasbasis
Bij de productie van TGV-treinen, PVD-coatingtechnologie op glasbasis speelt een cruciale ondersteunende rol bij het realiseren van betrouwbare verbindingsstructuren.
Proceskenmerken
- Eigen PVD-sputterproces van halfgeleiderkwaliteit
- Koperdepositie met hoge hechtkracht
- Maximale koperdikte tot 10 μm
- Uitstekende dikte-uniformiteit
- Geringe kromtrekking en hoge vlakheid
Voordelen van het materiaal
- Hoge hardheid
- Uitstekende slijtvastheid
- Sterke corrosiebestendigheid
- Stabiele chemische eigenschappen
- Duurzame coatingprestaties
6. Belangrijkste voordelen van TGV-technologie
In vergelijking met traditionele TSV-technologie biedt TGV:
- Minder signaalverlies (ideaal voor hoogfrequente toepassingen)
- Minder thermische spanning (betere aanpassing van de thermische uitzettingscoëfficiënt van glas)
- Potentieel voor lagere productiekosten
- Hoge dimensionale stabiliteit
- Beter geschikt voor dichte interconnectiearchitecturen
7. Toepassingsgebieden
De TGV-technologie breidt zich in hoog tempo uit naar:
- Verpakking van AI-computerchips
- High-Bandwidth Memory (HBM)
- 5G/6G RF-front-endmodules
- Siliciumfotonica en optische verbindingen (CPO)
- Heterogene integratie van chiplets
- Snelle verbindingen tussen datacenters
8. Vooruitzichten voor de sector
Naarmate geavanceerde verpakkingstechnologieën zich steeds verder ontwikkelen in de richting van een hogere dichtheid, een lager stroomverbruik en hogere werkfrequenties, groeit TGV uit tot een fundamentele technologie voor:
3D-interconnectarchitecturen in het post-Moore-tijdperk
Toekomstige ontwikkelingstrends zijn onder meer:
- Via-structuren kleiner dan 5 μm
- RDL-integratie met hogere dichtheid
- Verbeterde consistentie bij massaproductie
- Nauwe integratie met op chiplets gebaseerde systemen
Conclusie
De TGV-technologie (Through Glass Via) profileert zich als een interconnectieoplossing van de volgende generatie dankzij haar prestaties bij hoge frequenties, lage thermische belasting en kostenefficiëntie.
De belangrijkste doorbraken zijn:
- Vorming van doorgangen met een ultrasnelle laser
- Koperelektrolytisch galvaniseren zonder poriën
- Ultrafijne meerlaagse RDL-freesbewerking
Aangezien de invoering op commerciële schaal de komende jaren wordt verwacht, zal TGV een cruciale rol spelen bij het mogelijk maken van AI-computing en hogesnelheidscommunicatiesystemen.