Статья для понимания 3D упаковки через стекло с помощью технологии обработки (TGV)

Статья для понимания 3D-упаковки через технологию обработки стекла (TGV)

"More than Moore" использует ​​3D-стекирование​​ для обеспечения ​​гетерогенной интеграции​​ нескольких чипов через ​​внутриплоскостные и вертикальные межсоединения​​, используя ​​интеграции на уровне системы​​ для значительного повышения ​​эффективности форм-фактора​​. Технология вертикальных межсоединений расширяет масштабирование по размерности вдоль ​​оси z​​, стимулируя непрерывные достижения в области ​​интеграции на уровне системы​​. ​​Технология сквозных межсоединений​​, реализованная с помощью ​​подходов на основе межсоединений​​, является одним из наиболее перспективных решений для 3D-межсоединений и стала ​​глобальным направлением исследований​​ в области передовой упаковки.

Исторически сложилось так, что ​​стеклянные подложки​​ сталкивались с трудностями в достижении ​​качества отверстий​​ (например, геометрия отверстия, шероховатость поверхности), которое соответствовало ​​требованиям надежности​​ разработчиков и конечных пользователей, что создавало критическое узкое место для внедрения ​​сквозных стеклянных отверстий (TGV)​​ в передовой упаковке. Для ​​litografii​​, эта технология все еще требует значительного прогресса в:

1. Контроль однородности для ​​отверстий с высоким коэффициентом формы (AR > 50:1)​​
2. Оптимизация ​​адгезии интерфейса стекло-металл​​
3. Смягчение ​​термомеханического напряжения​​ во время изготовления

Для достижения ​​высокой плотности, высокоточной структуризации стекла​​ были проведены обширные исследования передовых методов, в том числе:

1. ​​Механическая микрообработка​​: Обеспечивает формирование рисунка отверстий в микромасштабе
2. ​​Переплавка стекла​​: Безмасочное формирование рисунка с помощью переформирования под действием поверхностного натяжения
3. ​​Фокусированный разряд​​: Плазменное травление для повышения разрешения
4. ​​Фоторезист стекла, отверждаемый УФ-излучением​​: Селективное травление с помощью фотолитографии
5. ​​Лазерная абляция​​: Бесконтактное сверление с субмикронной точностью
6. ​​Лазерные процессы​​: Селективное металлизирование и модификация поверхности

Систематическая классификация и анализ технологий микрообработки:​​

1. ​​Механическая микрообработка​​
   Механическая микрообработка представляет собой наиболее традиционный и прямой метод изготовления, использующий микрорежущие инструменты или абразивные вещества для удаления открытых областей материала с заготовок. Общепризнано, что хрупкие материалы проявляют ​​пластичное течение​​, а не ​​хрупкое разрушение​​, когда глубина резания остается значительно ниже критического порога
   1

   3
   . Вдохновленные этим механизмом деформации, были разработаны различные методы микрообработки с преобладанием пластичности, в том числе ​​микроточение​​, ​​фрезерование​​, ​​сверление​​ и ​​микрошлифование​​, а также их гибридные комбинации. Эти методы позволяют производить прецизионные стеклянные компоненты с минимальным повреждением поверхности/подповерхности.

​​Абразивно-струйная обработка (AJM)​​
Как экономичный вариант AJM, абразивно-струйная обработка использует высокоскоростные струи, содержащие абразив (50-100 м/с), для эрозии твердых материалов посредством ударных механизмов. В процессе используются ​​микроабразивы​​ (5-50 μm), увлеченные в струях газа/воды, что дает следующие преимущества:

• Сниженные контактные силы (<10 Н)
• Минимальные термические искажения (<50°C)
• Совместимость с Si, glass, Al₂O₃ и композитами

​​Основные параметры процесса:​​

​​Реализация AJM на основе маски​​
Для достижения разрешения менее 10 μm исследователи использовали двухступенчатый процесс AJM:

1. ​​Маскирование фоторезистом SU-8​​: Формирование рисунка отверстий УФ-литографией (экспозиция 365 нм)
2. ​​Травление абразивной струей Al₂O₃​​:
   • Параметры процесса: давление 0,5 МПа, угол падения 45°
   • Достигнутый диаметр TGV: 600 μm (±5% однородность)
   • Подложка: стекло Pyrex 7740 толщиной 500 μm

​​Ограничения производительности (рис. X):​​

• ​​Изменение диаметра​​: отклонение ±8% из-за эффектов отклонения струи
• ​​Шероховатость поверхности​​: Ra > 100 нм на входах отверстий
• ​​Загиб кромки​​: 20-30 μm боковой перерез на пересечениях

Как показано на следующих рисунках, механическая микрообработка демонстрирует худшую согласованность TGV по сравнению с лазерными методами. Наблюдаемые колебания размеров (σ > 15 μm) и неровности профиля могут ухудшить целостность сигнала из-за:

• Увеличение паразитной емкости (>15%)
• Гистерезис емкость-напряжение (C-V)
• Восприимчивость к электромиграции

Этот анализ соответствует результатам SEMATECH по надежности сквозных стеклянных отверстий в приложениях 3D-упаковки.

​
Ультразвуковая вибрация повышает эффективность обработки, позволяя ​​инструментам с массивом наконечников​​ взаимодействовать с абразивными частицами при высокочастотных колебаниях. Высокоэнергетические абразивные зерна (например, 1 μm SiC) воздействуют на стеклянную подложку, ускоряя образование отверстий при достижении более высоких ​​коэффициентов формы​​ (глубина к диаметру).

​​Пример исследования (рис. X):​​

• ​​Конструкция инструмента​​: Специальный инструмент из нержавеющей стали с квадратным массивом наконечников 6×6
• ​​Параметры процесса​​:
  • Абразив: частицы SiC размером 1 μm
  • Подложка: стекло толщиной 1,1 мм
  • Выход: коническое квадратное отверстие 260 μm × 270 μm
  • Коэффициент формы: 5:1 (средняя глубина/диаметр)
  • Скорость травления: 6 μm/с
  • Производительность: ~4 минуты на отверстие

Ограничения и оптимизация:​​
Хотя многонаконечниковый инструмент увеличивает плотность массива (например, массивы 10×10), практические улучшения эффективности остаются ограниченными: