ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของการประมวลผลด้วยปัญญาประดิษฐ์ การสื่อสาร 5G/6G และแอปพลิเคชัน RF ความถี่สูง การเชื่อมต่อแบบดั้งเดิมที่ใช้ซิลิคอน (TSV) กำลังถูกจำกัดมากขึ้นโดยปัญหาการสูญเสียสัญญาณ ความเครียดจากความร้อน และข้อจำกัดด้านต้นทุน ในบริบทนี้, เทคโนโลยี Through Glass Via (TGV) iกำลังกลายเป็นความก้าวหน้าสำคัญในด้านการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง.
TGV ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อไฟฟ้าในแนวดิ่งได้โดยการสร้างและเคลือบโลหะในไมโครเวียบนซับสเตรตแก้วที่บางมาก ถือเป็นเทคโนโลยีหลักที่จำเป็นสำหรับการบรรจุภัณฑ์แบบ 2.5D/3D และสถาปัตยกรรมชิปลิต.
1. TGV (Through Glass Via) คืออะไร?
TGV หมายถึงกระบวนการของการสร้าง รูเวียแนวตั้งขนาดไมครอน (10–50 ไมโครเมตร) ใน แผ่นกระจกฐานบางพิเศษ (100–700 μm) เช่น แก้วบอโรซิลิเกตหรือซิลิกาหลอมละลาย ตามด้วยการเคลือบโลหะ (โดยทั่วไปคือการเติมทองแดง) เพื่อสร้างเส้นทางนำไฟฟ้า.
มันแทนที่อินเตอร์โพเซอร์แบบ TSV (Through Silicon Via) แบบดั้งเดิม และมอบข้อได้เปรียบเช่น:
- การสูญเสียสัญญาณน้อยลง
- ความเครียดจากความร้อนลดลง
- ต้นทุนการผลิตที่ต่ำลง
- ประสิทธิภาพความถี่สูงที่ดีขึ้น
2. หลักการการทำงานหลัก
โครงสร้างทั่วไปของรถไฟ TGV ประกอบด้วย:
- แผ่นกระจก (ตัวพาหะไดอิเล็กทริก)
- โครงสร้างไมโครเวียแนวตั้ง
- รูผ่านที่มีโลหะเติมเต็ม (ทองแดง)
โครงสร้างเหล่านี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อแบบแนวตั้งที่มีความหนาแน่นสูงระหว่างชิปหรือโมดูลได้ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งสัญญาณความเร็วสูงและความถี่สูง.
3. กระบวนการมาตรฐานของ TGV
1) การเตรียมวัสดุรองพื้น
- การทำความสะอาดและการทำให้แห้ง
- การเคลือบโฟโตเรซิสต์ / ลิโทกราฟี
- การกำจัดสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิว
2) การเจาะรูด้วยเลเซอร์ (กระบวนการหลัก)
การประมวลผลด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงมาก (เลเซอร์พิโควินาทีหรือเฟมโตวินาที) ถูกนำมาใช้เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างภายในของแก้ว:
- ก่อให้เกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็กหรือบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลง
- สร้างรูปทรงที่มีอัตราส่วนสูงผ่านช่องทาง
- บรรลุผ่านเส้นผ่านศูนย์กลางลงไปถึง 3 ไมโครเมตร
- อัตราส่วนภาพสูงสุด 150:1
- ผ่านความสม่ำเสมอ > 95%
นี่คือขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการผลิต TGV.
3) การกัดด้วยสารเคมีแบบเปียกและการทำความสะอาด
- การกัดด้วยสารเคมี HF/BHF
- การกำจัดบริเวณที่ถูกดัดแปลงด้วยเลเซอร์
- การปรับให้เรียบผ่านผนังด้านข้าง
- การควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางที่แม่นยำ
- การกำจัดสารปนเปื้อน
4) การเคลือบโลหะ (ขั้นตอนสำคัญ)
(1) การสะสมตัวของชั้นเมล็ด
- การพ่นชั้น Ti/Cu หรือ AlN/Cu ด้วยวิธีสปัตเตอริง
- รับประกันการยึดเกาะและการนำไฟฟ้า
(2) การชุบด้วยไฟฟ้าทองแดง
- การชุบด้วยไฟฟ้าแบบพัลส์หรือกระแสตรง
- ปราศจากโพรงด้วยการเติมเต็ม
(3) การปรับผิวให้เรียบ
- การขัดเงาทางเคมีเชิงกล (CMP)
- การบำบัดพื้นผิวป้องกันการเกิดออกซิเดชัน
5) ชั้นการกระจายใหม่ (RDL) และการชน
- การเดินสายไฟ RDL ขนาดเล็กพิเศษ
- เว้นบรรทัด/เว้นช่องว่างลงมา ≤2 ไมโครเมตร
- การเดินสายหลายชั้น (สูงสุด 6 ชั้น RDL)
- เสาทองแดงหรือบัดกรีบัดกรีสำหรับการเชื่อมต่อ
6) การทดสอบและการตัดเป็นชิ้น
- การทดสอบทางไฟฟ้า
- การตัดเวเฟอร์
- การตรวจสอบขั้นสุดท้ายและการบรรจุ
4. การเปรียบเทียบเทคโนโลยีการสร้างทางผ่านหลัก
| เทคโนโลยี | ข้อดี | ข้อเสีย | การประยุกต์ใช้ |
|---|---|---|---|
| เลเซอร์ความเร็วสูงมาก + การกัดด้วยสารเคมี | ความแม่นยำสูง, รูผ่านขนาด 3–10 μm, อัตราส่วนสูง, ความสม่ำเสมอที่ยอดเยี่ยม | ต้นทุนอุปกรณ์สูง กระบวนการซับซ้อน | ชิป AI, HBM, การประยุกต์ใช้ RF |
| การเจาะด้วยเลเซอร์โดยตรง | ต้นทุนต่ำ ความเร็วสูง | ผนังด้านข้างหยาบ, อัตราส่วนต่ำ (<20:1) | วิอาขนาดใหญ่, การใช้งานความถี่ต่ำ |
| การกัดเซาะแบบแห้ง (RIE/ICP) | ความแม่นยำสูง, ผนังด้านข้างแนวตั้ง | ช้า, แพง | วิอะขนาดเล็กพิเศษ (<5 ไมโครเมตร) |
5. เทคโนโลยีการเคลือบโลหะ PVD บนพื้นฐานแก้ว
ในการผลิต TGV, เทคโนโลยีการเคลือบผิวแบบ PVD ที่ใช้แก้วเป็นฐาน มีบทบาทสนับสนุนที่สำคัญอย่างยิ่งในการบรรลุโครงสร้างการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้.
คุณสมบัติของกระบวนการ
- การเคลือบผิวแบบพัลส์ด้วยไอออน (PVD) สำหรับเกรดเซมิคอนดักเตอร์ภายในโรงงาน
- การเคลือบทองแดงด้วยคุณสมบัติการยึดเกาะสูง
- ความหนาสูงสุดของทองแดงไม่เกิน 10 ไมโครเมตร
- ความสม่ำเสมอของความหนาที่ยอดเยี่ยม
- การบิดเบี้ยวต่ำและความเรียบสูง
ข้อได้เปรียบทางวัสดุ
- ความแข็งสูง
- ทนต่อการสึกหรอได้อย่างยอดเยี่ยม
- ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม
- คุณสมบัติทางเคมีที่คงที่
- ประสิทธิภาพการเคลือบที่ยาวนาน
6. ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยี TGV
เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยี TSV แบบดั้งเดิม TGV มีข้อดีดังนี้:
- การสูญเสียการส่งสัญญาณที่ต่ำลง (เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูง)
- ลดความเครียดทางความร้อน (การจับคู่สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของกระจกที่ดีขึ้น)
- ศักยภาพในการลดต้นทุนการผลิต
- ความเสถียรในมิติสูง
- เหมาะสมยิ่งขึ้นสำหรับสถาปัตยกรรมเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูง
7. ขอบเขตการประยุกต์ใช้งาน
เทคโนโลยี TGV กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วเข้าสู่:
- การบรรจุชิปคอมพิวเตอร์ AI
- หน่วยความจำแบนด์วิดท์สูง (HBM)
- โมดูลส่วนหน้า RF สำหรับ 5G/6G
- ซิลิคอนโฟโตนิกส์และระบบเชื่อมต่อแบบออปติคอล (CPO)
- การรวมแบบไม่เหมือนกันของชิปเล็ต
- การเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลความเร็วสูง
8. แนวโน้มอุตสาหกรรม
เมื่อบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงยังคงพัฒนาไปสู่ความหนาแน่นที่สูงขึ้น การใช้พลังงานที่ต่ำลง และการทำงานที่มีความถี่สูงขึ้น TGV กำลังกลายเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานสำหรับ:
สถาปัตยกรรมเชื่อมต่อ 3 มิติยุคหลังมัวร์
แนวโน้มการพัฒนาในอนาคตประกอบด้วย:
- โครงสร้างผ่านขนาดต่ำกว่า 5 ไมโครเมตร
- การรวม RDL ความหนาแน่นสูงขึ้น
- การปรับปรุงความสม่ำเสมอในการผลิตจำนวนมาก
- การผสานรวมอย่างลึกซึ้งกับระบบที่ใช้ชิปลิต
สรุป
เทคโนโลยี TGV (Through Glass Via) กำลังกลายเป็นโซลูชันการเชื่อมต่อรุ่นถัดไปเนื่องจากประสิทธิภาพความถี่สูง ความเครียดทางความร้อนต่ำ และความคุ้มค่า.
จุดก้าวหน้าสำคัญอยู่ที่:
- การสร้างเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษผ่านการก่อตัว
- การชุบโลหะด้วยไฟฟ้าทองแดงปราศจากช่องว่าง
- การเดินสาย RDL แบบหลายชั้นที่มีความละเอียดสูงพิเศษ
ด้วยการคาดการณ์ว่าเทคโนโลยี TGV จะได้รับการนำไปใช้ในระดับเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า TGV จะมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการขับเคลื่อนการประมวลผลด้วยปัญญาประดิษฐ์และระบบสื่อสารความเร็วสูง.