TGV-Wafer — Durchkontaktierung im Glas
Through-Glass-Via-(TGV-)Wafer mit lasergebohrten und metallisierten Vias für 2.5D-Glasinterposer, mmWave AiP, CoPoS-Integration und photonische Interposer. Borofloat 33, Quarzglas und alkalifreie Qualitäten.
Übersicht
Die Through-Glass-Via-(TGV-)Technologie ist das Glas-Substrat-Pendant zur Through-Silicon-Via-(TSV-)Technologie und ermöglicht vertikale elektrische Verbindungen durch Glaswafer für 2.5D- und 3D-Packaging. Anders als Silizium ist Glas ein elektrischer Isolator (spezifischer Widerstand > 10¹⁰ Ω·cm), wodurch ein dielektrischer Isolationsliner entfällt, der bei der TSV-Fertigung zwingend erforderlich ist. Die niedrige Dielektrizitätskonstante (εr = 4.0–5.5) und der niedrige Verlustfaktor (tan δ < 0.005) von Glas reduzieren zudem die Signaldämpfung, wodurch TGV-Interposer für RF- und mmWave-Anwendungen überlegen sind gegenüber Silizium-Interposern.
GINECHIP liefert TGV-Wafer in den Glassorten Borofloat 33, Quarzglas und alkalifreies Glas mit Via-Durchmessern von 10μm bis 200μm und Aspektverhältnissen bis 10:1. Zu unseren TGV-Herstellungsverfahren gehören laserinduziertes Tiefenätzen (LIDE), fokussierte elektrische Entladung und Ultrakurzpuls-Laserablation. Alle TGVs werden mit PVD-Barriere-/Seed-Schichten und anschließender Cu-Elektroplattierung metallisiert, optional mit Ni/Au-Oberflächenfinish. Für jede Charge wird eine umfassende Messtechnik durchgeführt — darunter SEM-Querschnitt, 4-Punkt-Kelvin-Widerstand und Röntgen-Hohlraumprüfung.
TGV-Herstellungsverfahren
Laser-Induced Deep Etching (LIDE)
Hohes ARLIDE verwendet einen zweistufigen Prozess: Femtosekunden-Lasermodifikation des Glases zur Erzeugung einer modifizierten Spur, gefolgt von nasschemischem Ätzen, das das laser-modifizierte Material bevorzugt entfernt. Dies erzeugt TGVs mit glatten Wänden und hohem Aspektverhältnis (bis 10:1) bei minimaler Mikrorissbildung und minimalen Eigenspannungen. Der LIDE-Prozess ist mit Borosilikat-, Quarzglas- und alkalifreien Glassubstraten von 100mm bis 300mm Durchmesser kompatibel.
Focused Electrical Discharge
Hohe GeschwindigkeitFokussierte elektrische Entladung (auch bekannt als Funkenerosion oder funkenunterstütztes chemisches Gravieren) nutzt eine Hochspannungsentladung zwischen einer Werkzeugelektrode und der Glasoberfläche, um Material lokal abzutragen. Dieses Verfahren bietet den höchsten Durchsatz (bis zu 1.000 Vias/Sekunde) bei Via-Durchmessern von 50–200μm. Am besten geeignet für TGV-Interposer mit grobem Pitch, bei denen der Durchsatz wichtiger ist als die minimale Strukturgröße.
Ultrashort Pulse Laser Ablation
VielseitigDirekte Femtosekunden- oder Pikosekunden-Laserablation von Glas ohne anschließendes nasschemisches Ätzen. Die ultrakurze Pulsdauer (< 1 ps) minimiert Wärmeeinflusszone und Mikrorissbildung. Dieses Verfahren bietet die größte Flexibilität bei der Via-Geometrie — konische, gerade oder geformte Seitenwände — und ist mit allen Glastypen kompatibel. Der Durchsatz ist geringer als bei LIDE- oder Entladungsverfahren, eignet sich jedoch für Prototyping und Kleinserienfertigung.
Technische Spezifikationen
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Substratmaterial | Borofloat 33, Fused silica quartz, AN100 alkali-free glass, Sapphire Al₂O₃ |
| Durchmesser | 100mm (4″), 150mm (6″), 200mm (8″), 300mm (12″) |
| TGV-Herstellungsverfahren | Laser-induced deep etching (LIDE), Focused electrical discharge, Wet HF etching, Ultrashort pulse laser ablation |
| Via-Durchmesser | 10μm – 200μm (application-dependent) |
| Via-Tiefe | 100μm – 1,100μm (through-wafer) |
| Aspektverhältnis | Up to 6:1 (laser), up to 10:1 (LIDE), up to 3:1 (wet etch) |
| Via-Pitch | 50μm – 500μm (minimum pitch depends on diameter) |
| Via-Dichte | Up to 10⁴ vias/mm² (10μm diameter, 50μm pitch) |
| Seitenwandwinkel | 88° ± 1° (laser), 89° ± 0.5° (LIDE) |
| Seitenwandrauheit | < 200nm Ra (laser), < 100nm Ra (LIDE), < 50nm (wet etch + anneal) |
| Metallisierung | Cu (PVD seed + electroplating), Ti/Cu, TiW/Cu, Cr/Au, Cu/Ni/Au |
| Isolationsliner | PECVD SiO₂ (100–500nm), ALD Al₂O₃ (50–100nm), polymer (BCB, SU-8) |
| Metallisierungs-Konformität | > 50% step coverage (PVD), > 90% (ALD barrier + CVD seed) |
| Via-Widerstand | < 100 mΩ (typical, 50×500μm via, solid Cu fill) |
| Verpackung | Interleaved cleanroom paper, vacuum-sealed single-wafer cassette |
Anwendungen
TGV-Wafer sind der Kernbaustein von Glasinterposern für 2.5D-Packaging. Die niedrige Dielektrizitätskonstante (εr = 4.0–5.5) und der niedrige Verlustfaktor (tan δ < 0.005) von Glas reduzieren die Signaldämpfung im Vergleich zu Silizium-Interposern, was sie ideal für Hochgeschwindigkeits-Digital- und RF-Anwendungen macht. Mehrschichtiges RDL auf beiden Seiten des TGV-Wafers bietet die laterale Verdrahtung zwischen Chiplets, HBM-Stapeln und Package-Substraten.
Der niedrige dielektrische Verlust von Glassubstraten in Kombination mit TGV-Verbindungen ermöglicht verlustarme RF-Übergänge von der Antenne zum Beamforming-IC. TGV-basierte Interposer für 5G-mmWave- (28/39 GHz) und 6G-(100+ GHz-)Antenna-in-Package-Module erreichen Einfügedämpfung < 0.5 dB pro Übergang, deutlich besser als Alternativen auf Basis organischer Substrate.
Die CoPoS-Architektur (Chip-on-Panel-on-Substrate) basiert auf TGV-metallisierten Glaspanels als Interposer-Substrat. Die TGVs bieten die vertikale Verbindung zwischen dem frontseitigen RDL (Chip-zu-Chip-Verdrahtung) und der rückseitigen Package-Substrat-Schnittstelle. Die Panel-Level-TGV-Bildung auf 510×515mm Glaspanels ermöglicht den 4,5-fachen Durchsatzvorteil von CoPoS gegenüber Wafer-Level-Ansätzen.
TGV-Wafer mit integrierten optischen Wellenleitern (mittels Femtosekundenlaser in Quarzglas geschrieben) ermöglichen die gemeinsame Integration elektrischer Verbindungen (Cu-gefüllte TGVs) und optischer Verbindungen (Wellenleiter) auf einem einzigen Glassubstrat. Dies ist entscheidend für Co-Packaged Optics (CPO), bei denen sowohl elektrische als auch optische Signale zwischen dem photonischen Engine und dem Switch-ASIC geroutet werden müssen.
TGV-Wafer bieten hermetische, niederparasitäre elektrische Durchführungen für das Wafer-Level-Packaging von MEMS. Die elektrische Isolierung von Glas (spezifischer Widerstand > 10¹⁰ Ω·cm) macht die auf Silizium-TSV-Wafern erforderlichen dielektrischen Isolationsschichten überflüssig, vereinfacht den Fertigungsprozess und reduziert die parasitäre Durchführungskapazität für kapazitive MEMS-Sensoren.
Durchgangsvias in Borosilikat- oder Quarzglaswafern ermöglichen fluidische Verbindungen zwischen Mikrofluidikschichten in Lab-on-Chip- und Organ-on-Chip-Bauelementen. Die optische Transparenz von Glas erlaubt die Echtzeit-Fluoreszenzmikroskopie der Fluidkanäle, während die chemische Inertheit die Kompatibilität mit biologischen Proben und aggressiven Reagenzien gewährleistet.
Qualität & Messtechnik
Via-Geometrie SEM/FIB
SEM-Querschnitt und FIB-Milling zur Messung von Via-Durchmesser, Tiefe, Seitenwandwinkel und Seitenwandrauheit. 100% automatische optische Inspektion (AOI) auf Via-Platzierungsgenauigkeit (±2μm) und Via-Durchmesser-Gleichmäßigkeit (±5%).
Via-Widerstand (4-Punkt-Kelvin)
4-Punkt-Kelvin-Sondenmessung an einzelnen TGVs und Daisy-Chain-Teststrukturen. TGV-Widerstand < 100 mΩ (typisch, 50×500μm Cu-gefülltes Via). Daisy-Chain-Kontinuitätsausbeute > 99% bei 1.000-Via-Ketten.
Isolation / Leckstrom
I-V-Messung zwischen benachbarten TGVs und zwischen TGV und Substratoberfläche. Leckstrom < 1 nA bei 5V-Bias für 200nm PECVD-SiO₂-Liner. Isolationswiderstand > 10¹⁰ Ω zwischen benachbarten Vias.
Röntgen- / CT-Inspektion
Röntgenmikroskopie und Computertomographie zur Hohlraumerkennung in Cu-gefüllten TGVs. Keine Hohlräume > 5μm in der Füllung. Ganzwafer-Röntgeninspektion für Produktionschargen verfügbar.
AFM-Oberflächenrauheit
Oberflächenrauheitsmessung nach CMP. Cu-Dishing < 50nm, Glas-Erosion < 30nm. Ra nach CMP < 1nm für RDL-Lithografie-Kompatibilität.
TTV- / Bow- / Warp-Interferometrie
Ganzwafer-Topografie nach TGV-Bildung und nach CMP. TTV ≤ 5μm, Bow ≤ 25μm für 200mm Glaswafer. Kritisch für die Schärfentiefeanforderungen der anschließenden RDL-Lithografie.
Querschnitts-SEM (EDS)
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) an TGV-Querschnitten zur Verifizierung der Barriere-/Seed-Kontinuität, der Cu-Füllqualität und zum Nachweis intermetallischer Phasen an der Cu/Barriere-Grenzfläche.
Thermocycling-Zuverlässigkeit
Temperaturwechsel (-55°C bis +150°C, 1.000 Zyklen) nach JEDEC JESD22-A104. TGV-Widerstandsänderung nach dem Cycling < 10%. Keine Delaminierung an Cu/Glas-, Cu/Liner- oder Liner/Glas-Grenzflächen gemäß C-SAM-Inspektion.
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