Artykuł mający na celu zrozumienie opakowań 3D poprzez technologię przetwarzania szkła (TGV)

Artykuł mający na celu zrozumienie pakowania 3D przez szkło za pomocą technologii przetwarzania (TGV)

"More than Moore" wykorzystuje ​​stosowanie 3D​​ w celu umożliwienia ​​heterogenicznej integracji​​ wielu układów scalonych poprzez ​​połączenia w płaszczyźnie i pionowe​​, wykorzystując ​​integracji na poziomie systemu​​ w celu znacznego zwiększenia ​​wydajności współczynnika kształtu​​. Technologia połączeń pionowych rozszerza skalowanie wymiarowe wzdłuż ​​osie z​​, napędzając ciągłe postępy w ​​integracji na poziomie systemu​​. ​​Technologia przelotowych otworów interposerowych​​, wdrożona za pośrednictwem ​​interposerowych podejść via-first​​, jest jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań połączeń 3D i stała się ​​globalnym celem badań​​ w zaawansowanym pakowaniu.

Historycznie, ​​substraty szklane​​ stanęły w obliczu wyzwań w osiągnięciu ​​jakości otworów​​ (np. geometria przelotki, chropowatość powierzchni), które spełniały ​​wymagania dotyczące niezawodności​​ projektantów i użytkowników końcowych, stanowiąc krytyczne wąskie gardło dla ​​przelotowych otworów szklanych (TGV)​​ w zaawansowanym pakowaniu. Dla ​​fabryk​​, technologia ta wciąż wymaga znacznego postępu w:

1. Kontrola jednorodności dla ​​przelotek o wysokim współczynniku kształtu (AR > 50:1)​​
2. Optymalizacja ​​adhezji interfejsu szkło-metal​​
3. Minimalizacja ​​naprężeń termomechanicznych​​ podczas produkcji

Aby osiągnąć ​​strukturyzację szkła o dużej gęstości i wysokiej precyzji​​, przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad zaawansowanymi metodami, w tym:

1. ​​Obróbka mechaniczna​​: Umożliwia wzorowanie przelotek w skali mikronów
2. ​​Reflow szkła​​: Wzorowanie bezmaskowe poprzez kształtowanie napędzane napięciem powierzchniowym
3. ​​Skupione wyładowanie​​: Trawienie plazmowe dla zwiększonej rozdzielczości
4. ​​Szkło z fotorezystem utwardzalnym UV​​: Selektywne trawienie poprzez fotolitografię
5. ​​Ablacja laserowa​​: Bezdotykowe wiercenie z precyzją submikronową
6. ​​Procesy indukowane laserem​​: Selektywne metalizowanie i modyfikacja powierzchni

Systematyczna klasyfikacja i analiza technologii obróbki mikromechanicznej:​​

1. ​​Obróbka mikromechaniczna​​
   Obróbka mikromechaniczna reprezentuje najbardziej konwencjonalną i bezpośrednią metodę produkcji, wykorzystującą mikro-narzędzia tnące lub środki ścierne do usuwania odsłoniętych obszarów materiału z obrabianych przedmiotów. Powszechnie wiadomo, że materiały kruche wykazują ​​przepływ plastyczny​​ zamiast ​​łamania kruchego​​, gdy głębokość cięcia pozostaje znacznie poniżej progu krytycznego
   1

   3
   . Zainspirowane tym mechanizmem deformacji, opracowano różne techniki mikromechaniczne zdominowane przez plastyczność, w tym ​​mikro-toczenie​​, ​​mikro-frezowanie​​, ​​wiercenie​​ i ​​mikro-szlifowanie​​, wraz z ich hybrydowymi kombinacjami. Metody te umożliwiają produkcję precyzyjnych komponentów szklanych z minimalnymi uszkodzeniami powierzchni/podpowierzchni.

​​Obróbka strumieniem ściernym (AJM)​​
Jako opłacalny wariant AJM, obróbka strumieniem ściernym wykorzystuje strumienie ścierne o dużej prędkości (50-100 m/s) do erozji twardych materiałów poprzez mechanizmy uderzeniowe. Proces wykorzystuje ​​mikro-ścierniwa​​ (5-50 μm) unoszone w strumieniach gazu/wody, oferując korzyści takie jak:

• Zredukowane siły kontaktu (<10 N)
• Minimalne zniekształcenia termiczne (<50°C)
• Kompatybilność z Si, szkłem, Al₂O₃ i kompozytami

​​Kluczowe parametry procesu:​​

​​Implementacja AJM oparta na masce​​
Aby osiągnąć rozdzielczość sub-10 μm, naukowcy przyjęli dwuetapowy proces AJM:

1. ​​Maskowanie fotorezystem SU-8​​: Wzorowanie przelotek litografią UV (ekspozycja 365 nm)
2. ​​Trawienie strumieniem ściernym Al₂O₃​​:
   • Parametry procesu: ciśnienie 0,5 MPa, kąt padania 45°
   • Osiągnięta średnica TGV: 600 μm (±5% jednorodności)
   • Podłoże: szkło Pyrex 7740 o grubości 500 μm

​​Ograniczenia wydajności (Rys. X):​​

• ​​Zmienność średnicy​​: odchylenie ±8% z powodu efektów odchylania strumienia
• ​​Chropowatość powierzchni​​: Ra > 100 nm na wejściach przelotek
• ​​Rollover krawędzi​​: 20-30 μm boczne podcięcie na przecięciach

Jak pokazano na poniższych rysunkach, obróbka mikromechaniczna wykazuje gorszą spójność TGV w porównaniu z metodami laserowymi. Obserwowane wahania wymiarowe (σ > 15 μm) i nieregularności profilu mogą pogorszyć integralność sygnału poprzez:

• Zwiększoną pojemność pasożytniczą (>15%)
• Histereza pojemność-napięcie (C-V)
• Podatność na elektromigrację

Ta analiza jest zgodna z ustaleniami SEMATECH dotyczącymi niezawodności przelotowych otworów szklanych w zastosowaniach do pakowania 3D.

​
Wibracje ultradźwiękowe zwiększają wydajność obróbki, umożliwiając ​​narzędzia z końcówkami w układzie​​ interakcję z cząstkami ściernymi podczas oscylacji o wysokiej częstotliwości. Ziarna ścierne o wysokiej energii (np. 1 μm SiC) uderzają w szklane podłoże, przyspieszając tworzenie się przelotek, jednocześnie osiągając wyższe ​​współczynniki kształtu​​ (głębokość do średnicy).

​​Studium przypadku (Rys. X):​​

• ​​Projekt narzędzia​​: Niestandardowe narzędzie ze stali nierdzewnej z końcówkami w układzie kwadratowym 6×6
• ​​Parametry procesu​​:
  • Ścierniwo: cząstki SiC o wielkości 1 μm
  • Podłoże: szkło o grubości 1,1 mm
  • Wyjście: przelotka kwadratowa o wymiarach 260 μm × 270 μm
  • Współczynnik kształtu: 5:1 (średnia głębokość/średnica)
  • Szybkość trawienia: 6 μm/s
  • Przepustowość: ~4 minuty na przelotkę

Ograniczenia i optymalizacja:​​
Chociaż oprzyrządowanie wielo-końcówkowe zwiększa gęstość układu (np. układy 10×10), praktyczne zyski w wydajności pozostają ograniczone przez:

1. ​​Dynamika kolizji​​: Nakładanie się końcówek powoduje zakłócenia podczas wibracji ultradźwiękowych
2. ​​Wykorzystanie ścierniwa​​: Zrzucanie cząstek zmniejsza efektywną żywotność cięcia
3. ​​Zarządzanie termiczne​​: Skumulowane ciepło tarcia przy wysokich częstotliwościach (>20 kHz)

Podejście to pozwala na uzyskanie ~300 przelotek/godzinę z 85% spójnością wymiarową (σ < 5 μm), przewyższając konwencjonalne AJM 4× pod względem prędkości, ale ograniczone złożonością narzędzia. W przypadku zastosowań o dużej przepustowości badane są systemy hybrydowe łączące agitację ultradźwiękową z ogniskowaniem wspomaganym laserem w celu złagodzenia tych wąskich gardeł.