Med den hurtige udvikling af halvlederteknologi vokser efterspørgslen efter miniaturisering og høj ydeevne af elektroniske enheder i stigende grad [1-3]. Driftsmiljøerne for højtydende enheder er mere krævende og kræver mere pålidelige og holdbare emballageteknologier. På nuværende tidspunkt, med den hurtige udvikling af den integrerede kredsløbsindustri, er emballageteknologien gået fra traditionel todimensionel plan emballage til tredimensionel emballage. Glassubstrater er på grund af deres fremragende elektriske, mekaniske og termiske egenskaber efterhånden blevet et avanceret emballeringsmateriale. Blandt dem kan TGV opnå vertikale sammenkoblinger med høj tæthed og lavt tab og er et af de vigtige tekniske midler til at realisere højdensitetsemballage og tredimensionel integration [4].
Kernen i TGV-teknologien ligger i via forarbejdning og påfyldning, da disse to trin direkte bestemmer stabiliteten og den elektriske ydeevne af chipemballage. Via-behandlingsteknologi påvirker størrelsen, formen og behandlingseffektiviteten af viaerne, mens viafyldningsteknologien bestemmer den elektriske ydeevne og mekaniske styrke af sammenkoblingerne.
02
Glassubstrat via forarbejdningsteknologier
Via procesteknologi er en nøgleproces for TGV at opnå flerlags sammenkobling og højdensitetsemballage. Det kræver høj forarbejdningseffektivitet og høj præcision, og de resulterende vias skal have god overfladekvalitet samt fremragende vertikalitet og billedformat. De vigtigste via-behandlingsteknologier omfatter sandblæsning, elektrokemisk udladningsbearbejdning, rillesynkning og -slibning, laserablation og laserinduceret ætsning.
2.1 Sandblæsning
Sandblæsning er en forarbejdningsteknik, der ætser glassubstrater ved højtrykssprøjtning af fine partikler til dannelse af gennemgange [5]. En fast-væske-blanding sprøjtes ved høj hastighed gennem en dyse for at støde på glassubstratets overflade, gradvist ætsning og fjernelse af materiale, indtil den forudbestemte hulstruktur er dannet.
Sandblæsning har fremragende bearbejdningstilpasningsevne og kan håndtere glasunderlag i forskellige størrelser og tykkelser. Den tilbyder høj behandlingsfleksibilitet, kan behandle vias af forskellige former og størrelser og har lave udstyrsomkostninger og enkel betjening, hvilket gør den velegnet til masseproduktion. De TGV-overflader, der fremstilles ved denne metode, har dog ujævn ruhed, og der er også problemer som støvforurening, materialespild og lav forarbejdningseffektivitet.
2.2 Elektrokemisk udladningsbearbejdning
Elektrokemisk udladningsbearbejdning er en ikke-traditionel bearbejdningsmetode, der kombinerer fordelene ved elektrokemisk bearbejdning og elektrisk udladningsbearbejdning, og er særligt velegnet til bearbejdning af hårde og skøre materialer som glas. Dets grundlæggende princip er som følger: under påvirkning af en påført spænding gennemgår værktøjselektroden gnistudladning, hvilket frigiver enorm energi; den høje temperatur og det høje tryk, der genereres i det lille mellemrum, der dannes mellem værktøjselektroden og materialet, får materialet til at smelte eller fordampe, som derefter fjernes ved højtrykspåvirkning; samtidig fremskynder den høje temperatur kemiske reaktioner, hvilket gør den kemiske korrosion af materialet af den alkaliske opløsning mere signifikant, hvorved forarbejdningsprocessen afsluttes under de kombinerede fysiske og kemiske effekter.
Elektrokemisk udladningsbearbejdning bruges i vid udstrækning til bearbejdning af overflademikrostrukturer af isolerende hårde og sprøde materialer, såsom mikrohuller, mikrohuller og mikroriller. Gennem denne metode kan komplekse mikrostrukturer fremstilles præcist for at opfylde højpræcisionsbehandlingskrav. Denne metode har dog også adskillige mangler, såsom hurtig elektrodeslid, vanskelig processtyring, høje udstyrsomkostninger og relativt langsom behandlingshastighed.
2.3 Rillesynkning og slibning
Rillesynkning og -slibning er en metode, hvor et materiale (normalt i flydende eller blødgjort tilstand) aflejres i riller i en form eller et substrat med en specifik morfologi, formes til den ønskede form og struktur gennem afkøling eller størkning og derefter udsættes for planarisering og slibebehandling [6]. Fordelene ved rillesynkning og -slibning inkluderer god elektrisk isoleringsevne og fremragende overfladekvalitet, og denne proces kan forenkle fremstillingen af komplekse tredimensionelle strukturer. Men i strukturer med højt aspektforhold kan der være problemer såsom ufuldstændig fyldning, lang procestid og generering af termisk spænding.
2.4 Laserablation
Laserablation er en teknologi, der bruger en højenergilaserstråle til at fjerne materiale til fremstilling af glasviaer. Dens princip er at fokusere en højenergilaserstråle på glassubstratet, hvilket genererer ekstremt høje temperaturer i et lokaliseret område, hvorved materialet øjeblikkeligt smelter eller fordamper og fjernes gennem udstødning eller fordampning [7].
Laserablation tilbyder høj behandlingspræcision, stærk fleksibilitet, ingen mekanisk belastning og hurtig behandlingshastighed, men den har også defekter som fremspring, snavs, mikrorevner og forbrændinger. Disse defekter kan negativt påvirke kvaliteten af efterfølgende bindingsprocesser med andre materialer (såsom metaller, keramik eller kompositter), hvilket fører til reduceret bindingsstyrke og nedsat holdbarhed.
2.5 Laser-induceret ætsning
LPKF fra Tyskland foreslog laserinduceret ætsning [8]. Procestrinene er som følger: Rengør først glassubstratet for at sikre, at overfladen er fri for støv og olie, og dæk den med en maske for at beskytte områder, der ikke skal behandles; vælg derefter en passende laser og indstil parametrene, og brug computerstyret laserstrålepositionering til at bestråle glasset og ændre dets struktur; til sidst nedsænkes glassubstratet i en kemisk ætseopløsning for fortrinsvis at opløse de laserbehandlede områder, kontrollere ætsetiden og opløsningskoncentrationen for at opnå den nødvendige ætsningsdybde og -struktur.
Sammenlignet med sandblæsning, elektrokemisk udladningsbearbejdning, rillesynkning og -slibning og laserablation har laserinduceret ætsning betydelige fordele i høj præcision, behandlingsfleksibilitet og overfladekvalitet. Laser-induceret ætsning kombinerer præcisionen af laserforbehandling med selektiviteten af kemisk ætsning. Denne metode kan opnå højkvalitets TGV-behandling og overvinde manglerne ved traditionelle metoder med hensyn til præcision, effektivitet og materialeanvendelighed. Imidlertid har denne metode problemet med lav vertikalitet af de behandlede vias, og det udstyr, der anvendes til lasermodifikation, er dyrt.
03
Glasunderlag via påfyldningsteknologier
Efter TGV via formation skal de fyldes for at opnå elektrisk sammenkobling. Fyldningsprocessen er et nøgletrin for at realisere højtydende flerlagsforbindelse og højdensitetsemballage og omfatter hovedsageligt metalgalvaniseringsfyldning og ledende pastafyldning.
3.1 Metal galvanisering Fyldning
Efter dannelse af gennemgangene skal et metalfrølag aflejres på de indre vægge af gennemgangene, sædvanligvis ved fysisk dampaflejring (PVD) eller kemisk dampaflejring (CVD). Frølagsmaterialet er generelt kobber eller nikkel, og kobber og nikkel fyldes i gennemgangene gennem en galvaniseringsproces. Under galvanisering reduceres metalioner på overfladen af frølaget under påvirkning af et elektrisk felt, hvilket gradvist fylder hele gennemgangen. Fordi denne proces anvender en bottom-up fyldningsmetode, er det nødvendigt at forhindre dannelse af hulrum under fyldning, så det er tidskrævende og dyrt. TGV-via'er behøver ikke nødvendigvis at være fuldstændigt fyldte; de kan fyldes langs sidevæggene eller med en semi-lukket struktur. Denne fyldningsmetode kaldes delvis fyldning. Delvis fyldningsteknologi er allerede tæt på fuld fyldningsteknologi i elektrisk ydeevne og kan optimere galvaniseringstid og -omkostninger.
Metalgalvaniseringspåfyldningsteknologi er med sin fremragende elektriske ledningsevne, modne procesflow og effektive påfyldningsevne blevet den vigtigste metode til TGV via påfyldning på nuværende tidspunkt. Dette skyldes, at bottom-up-fyldningstilstanden effektivt kan undgå dannelsen af hulrum og sikre integriteten af via-strukturen. Den traditionelle fuldfyldningsmetode har dog begrænsningerne af lang procestid og høje omkostninger og er tilbøjelig til porer eller overfladedefekter under høj strømtæthed. Delvis fyldningsteknologi opnår elektrisk ydeevne, der kan sammenlignes med fuld fyldning ved at optimere procestid og omkostninger, og kombineret med anvendelsen af nye materialer såsom sølv nanotråde, reducerer fremstillingsomkostningerne og proceskompleksiteten yderligere.
3.2 Ledende pastafyldning
Konduktiv pastafyldning af TGV refererer til dannelse af ledende baner ved at fylde ledende pasta i glasgennemgange. Ledende pasta indeholder normalt ledende partikler (såsom sølv, kobber osv.) og bindemidler (såsom epoxyharpiks eller organiske polymerer). Efter at højpræcisionsgennemgange er dannet i glassubstratet, skal de indvendige vægge af gennemgangene først overfladebehandles for at forbedre vedhæftningen af den ledende pasta, og derefter fyldes den ledende pasta ind i glasgennemgangene ved serigrafi, injektionsfyldning eller trykbelægning. For at sikre ensartet fordeling af den ledende pasta i gennemgangene, anvendes vakuum-assisteret påfyldningsteknologi normalt for at eliminere luftindfangning og undgå dannelse af hulrum. Efter at den ledende pastafyldning er afsluttet, kræves en hærdningsbehandling. Almindelige hærdningsmetoder omfatter termisk hærdning, ultraviolet hærdning eller kemisk hærdning. Gennem passende hærdningsbehandling danner den ledende pasta en stabil ledende bane i gennemgangene. Viasene poleres og renses derefter for at sikre en flad gennemgangsoverflade og opfylde kravene til efterfølgende emballering og integration.
Ledende pastafyldning har klæbeevne, og efter hærdning kan varmeudvidelseskoefficienten af de ledende gennemgange justeres til at være tæt på substratets. Imidlertid er den elektriske ledningsevne af ledende pasta normalt lavere end metalledere, hvilket vil have en vis indflydelse på ydeevnen af elektroniske enheder; desuden kan vias fyldt med ledende pasta udvikle pålidelighedsproblemer såsom revner eller delaminering under langvarig brug, og disse defekter begrænser anvendelsesomfanget af denne metode.
04
Oversigt
Hvert glassubstrat via forarbejdningsteknologi har sine betydelige fordele såvel som tilsvarende begrænsninger.
Sandblæsning har en enkel proces, lave udstyrsomkostninger og fleksibel drift og er velegnet til behandling af vias med stor diameter, især med fordele ved masseproduktion. Denne metode har dog stadig problemer såsom modtagelighed for revner, ujævn overfladeruhed, alvorlig støvforurening, stort materialespild og lav forarbejdningseffektivitet.
Elektrokemisk udladningsbearbejdning kan producere glasviaer med høje billedformater og høj behandlingspræcision. Denne metode har imidlertid ulemper såsom relativt kompleks proces, hurtigt slid på værktøjselektroder, høje omkostninger, besværlig behandling af affaldsvæske og lav forarbejdningseffektivitet.
Rillesynkning og -slibning har fordele som høj forarbejdningspræcision, fremragende overfladekvalitet og god elektrisk ydeevne og er velegnet til præcisionsfremstilling af komplekse tredimensionelle strukturer. Men i strukturer med højt billedformat kan der opstå problemer såsom ufuldstændig fyldning, lange procescyklusser og generering af termisk spænding.
Laserablation har fordele såsom høj behandlingspræcision, stærk fleksibilitet og høj effektivitet, men på grund af dens store varmepåvirkede zone er den tilbøjelig til termisk stress og mikrorevner, og udstyrsomkostningerne er høje. Samtidig har nogle glasmaterialer lave absorptionshastigheder for lasere, hvilket resulterer i nedsat behandlingskvalitet.
Laser-induceret ætsning har fordele såsom høj præcision, hurtig gennemdannelse og skadefri behandling. De færdige produkter, der behandles ved denne metode, har fremragende overfladekvalitet og er velegnede til fremstilling af glas-vias med højt billedformat. Denne metode har imidlertid høje behandlingsomkostninger og dyrt behandlingsudstyr.
Forskellige glassubstrater via fyldningsteknologier har også deres respektive fordele og ulemper.
Metal galvaniseringspåfyldningsteknologi har karakteristika af fremragende elektrisk ledningsevne, modent procesflow og effektiv påfyldningsevne og er blevet den vigtigste metode til TGV via påfyldning. Den traditionelle fuldpåfyldningsmetode har begrænsninger såsom lang tidsforbrug og høje omkostninger. Til sammenligning reducerer delvis fyldningsteknologi i høj grad proceskompleksitet og omkostninger gennem optimerede processer og materialeanvendelser, mens den bibeholder fremragende elektrisk ydeevne og strukturel integritet.
Ledende pastapåfyldningsteknologi har fordele såsom enkel proces og relativt lave omkostninger og har anvendelsespotentiale i tredimensionel emballering og passiv enhedsintegration. Imidlertid er dens anvendelse begrænset af lav elektrisk ledningsevne, dårlig stabilitet og utilstrækkelig mekanisk styrke.