Avec le développement rapide de la technologie des semi-conducteurs, la demande de miniaturisation et de hautes performances des appareils électroniques augmente de plus en plus [1-3]. Les environnements d'exploitation des appareils hautes performances sont plus exigeants et nécessitent des technologies d'emballage plus fiables et plus durables. À l'heure actuelle, avec le développement rapide de l'industrie des circuits intégrés, la technologie d'emballage est passée d'un emballage plan bidimensionnel traditionnel à un emballage tridimensionnel. Les substrats en verre, en raison de leurs excellentes propriétés électriques, mécaniques et thermiques, sont progressivement devenus un matériau d'emballage avancé et émergent. Parmi eux, le TGV peut réaliser des interconnexions verticales à haute densité et à faibles pertes et constitue l'un des moyens techniques importants pour réaliser un emballage haute densité et une intégration tridimensionnelle [4].
Le cœur de la technologie TGV réside dans le traitement et le remplissage, car ces deux étapes déterminent directement la stabilité et les performances électriques du conditionnement des puces. La technologie de traitement via affecte la taille, la forme et l'efficacité du traitement des vias, tandis que la technologie de remplissage via détermine les performances électriques et la résistance mécanique des interconnexions.
02
Substrat en verre via les technologies de traitement
La technologie de traitement via est un processus clé permettant à TGV de réaliser une interconnexion multicouche et un emballage haute densité. Cela nécessite une efficacité de traitement élevée et une haute précision, et les vias résultants doivent avoir une bonne qualité de surface ainsi qu'une excellente verticalité et un excellent rapport d'aspect. Les principales technologies de traitement comprennent le sablage, l'usinage par décharge électrochimique, l'enfoncement et le meulage de rainures, l'ablation laser et la gravure induite par laser.
2.1 Sablage
Le sablage est une technique de traitement qui grave les substrats en verre par pulvérisation à haute pression de fines particules pour former des vias [5]. Un mélange solide-liquide est pulvérisé à grande vitesse à travers une buse pour impacter la surface du substrat en verre, mordant et éliminant progressivement le matériau jusqu'à ce que la structure de trous prédéterminée soit formée.
Le sablage a une excellente adaptabilité au traitement et peut traiter des substrats en verre de différentes tailles et épaisseurs. Il offre une grande flexibilité de traitement, peut traiter des vias de différentes formes et tailles, et présente un faible coût d'équipement et un fonctionnement simple, ce qui le rend adapté à la production de masse. Cependant, les surfaces TGV produites par cette méthode présentent une rugosité inégale, et il existe également des problèmes tels que la pollution par la poussière, le gaspillage de matériaux et une faible efficacité de traitement.
2.2 Usinage par décharge électrochimique
L'usinage par électroérosion est une méthode de traitement non traditionnelle qui combine les avantages de l'usinage électrochimique et de l'usinage par électroérosion, et est particulièrement adaptée au traitement de matériaux durs et cassants tels que le verre. Son principe de base est le suivant : sous l'action d'une tension appliquée, l'électrode de l'outil subit une décharge par étincelle, libérant une énorme énergie ; la température et la pression élevées générées dans le petit espace formé entre l'électrode de l'outil et le matériau provoquent la fusion ou la vaporisation du matériau, qui est ensuite éliminé par impact à haute pression ; dans le même temps, la température élevée accélère les réactions chimiques, rendant la corrosion chimique du matériau par la solution alcaline plus importante, complétant ainsi le processus de traitement sous les effets physiques et chimiques combinés.
L'usinage par décharge électrochimique est largement utilisé pour traiter les microstructures de surface de matériaux isolants durs et cassants, tels que les micro-piqûres, les micro-trous et les micro-rainures. Grâce à cette méthode, des microstructures complexes peuvent être fabriquées avec précision pour répondre aux exigences de traitement de haute précision. Cependant, cette méthode présente également plusieurs inconvénients, tels qu'une usure rapide des électrodes, un contrôle de processus difficile, un coût d'équipement élevé et une vitesse de traitement relativement lente.
2.3 Fraisage et meulage de rainures
L'enfoncement et le meulage de rainures sont une méthode dans laquelle un matériau (généralement à l'état liquide ou ramolli) est déposé dans les rainures d'un moule ou d'un substrat avec une morphologie spécifique, formé dans la forme et la structure souhaitées par refroidissement ou solidification, puis soumis à un traitement de planarisation et de meulage [6]. Les avantages du fraisage et du meulage de rainures incluent de bonnes performances d'isolation électrique et une excellente qualité de surface, et ce processus peut simplifier la fabrication de structures tridimensionnelles complexes. Cependant, dans les structures à rapport d'aspect élevé, des problèmes peuvent survenir tels qu'un remplissage incomplet, une durée de processus longue et la génération de contraintes thermiques.
2.4 Ablation laser
L'ablation laser est une technologie qui utilise un faisceau laser à haute énergie pour éliminer la matière afin de fabriquer des vias en verre. Son principe est de focaliser un faisceau laser de haute énergie sur le substrat en verre, générant des températures extrêmement élevées dans une zone localisée, provoquant ainsi la fusion ou la vaporisation instantanée du matériau et son élimination par éjection ou évaporation [7].
L'ablation laser offre une précision de traitement élevée, une grande flexibilité, aucune contrainte mécanique et une vitesse de traitement rapide, mais elle présente également des défauts tels que des saillies, des débris, des microfissures et des brûlures. Ces défauts peuvent affecter négativement la qualité des processus de liaison ultérieurs avec d’autres matériaux (tels que les métaux, les céramiques ou les composites), entraînant une réduction de la force de liaison et une diminution de la durabilité.
2.5 Gravure induite par laser
LPKF d'Allemagne a proposé une gravure induite par laser [8]. Les étapes du processus sont les suivantes : tout d'abord, nettoyez le substrat en verre pour vous assurer que la surface est exempte de poussière et d'huile, et recouvrez-le d'un masque pour protéger les zones qui ne nécessitent pas de traitement ; puis sélectionnez un laser approprié et définissez les paramètres, puis utilisez le positionnement du faisceau laser contrôlé par ordinateur pour irradier le verre et modifier sa structure ; enfin, plongez le substrat de verre dans une solution de gravure chimique pour dissoudre préférentiellement les zones traitées au laser, en contrôlant le temps de gravure et la concentration de la solution pour obtenir la profondeur et la structure de gravure requises.
Par rapport au sablage, à l'usinage par décharge électrochimique, au fonçage et au meulage de rainures et à l'ablation laser, la gravure induite par laser présente des avantages significatifs en termes de haute précision, de flexibilité de traitement et de qualité de surface. La gravure induite par laser combine la précision du prétraitement laser avec la sélectivité de la gravure chimique. Cette méthode permet d'obtenir un traitement TGV de haute qualité et de surmonter les défauts des méthodes traditionnelles en termes de précision, d'efficacité et d'applicabilité des matériaux. Cependant, cette méthode présente le problème de la faible verticalité des vias traités et l'équipement utilisé pour la modification laser est coûteux.
03
Substrat en verre via des technologies de remplissage
Après la via TGV, ils doivent être comblés pour réaliser l'interconnexion électrique. Le processus de remplissage est une étape clé pour réaliser une interconnexion multicouche haute performance et un emballage haute densité, et comprend principalement le remplissage par galvanoplastie métallique et le remplissage par pâte conductrice.
3.1 Remplissage par galvanoplastie métallique
Après avoir formé les vias, une couche de germes métalliques doit être déposée sur les parois internes des vias, généralement par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le matériau de la couche de germination est généralement du cuivre ou du nickel, et le cuivre et le nickel sont introduits dans les vias par un processus de galvanoplastie. Lors de la galvanoplastie, les ions métalliques sont réduits à la surface de la couche de germination sous l'action d'un champ électrique, remplissant progressivement tout le via. Étant donné que ce processus adopte une méthode de remplissage ascendante, il est nécessaire d’éviter la formation de vides lors du remplissage, ce qui prend du temps et coûte cher. Les vias TGV ne doivent pas nécessairement être entièrement remplies ; ils peuvent être remplis le long des parois latérales ou avec une structure semi-fermée. Cette méthode de remplissage est appelée remplissage partiel. La technologie de remplissage partiel est déjà proche de la technologie de remplissage complet en termes de performances électriques et peut optimiser le temps et le coût de la galvanoplastie.
La technologie de remplissage par galvanoplastie métallique, avec son excellente conductivité électrique, son flux de processus mature et sa capacité de remplissage efficace, est devenue actuellement la principale méthode de remplissage par TGV. En effet, le mode de remplissage ascendant peut efficacement éviter la génération de vides et garantir l'intégrité de la structure du via. Cependant, la méthode traditionnelle de remplissage complet présente les limites d'une longue durée de processus et d'un coût élevé, et est sujette à des pores ou à des défauts de surface sous une densité de courant élevée. La technologie de remplissage partiel atteint des performances électriques comparables à celles d'un remplissage complet en optimisant le temps et le coût du processus, et combinée à l'application de nouveaux matériaux tels que les nanofils d'argent, elle réduit encore les coûts de fabrication et la complexité du processus.
3.2 Remplissage de pâte conductrice
Le remplissage de pâte conductrice de TGV fait référence à la formation de chemins conducteurs en remplissant de pâte conductrice dans des vias en verre. La pâte conductrice contient généralement des particules conductrices (telles que de l'argent, du cuivre, etc.) et des liants (telles que de la résine époxy ou des polymères organiques). Une fois les vias de haute précision formés dans le substrat en verre, les parois internes des vias doivent d'abord être traitées en surface pour améliorer l'adhérence de la pâte conductrice, puis la pâte conductrice est introduite dans les vias en verre par sérigraphie, remplissage par injection ou revêtement d'impression. Pour assurer une répartition uniforme de la pâte conductrice dans les vias, une technologie de remplissage assistée par vide est généralement adoptée pour éliminer l'emprisonnement d'air et éviter la formation de vides. Une fois le remplissage de la pâte conductrice terminé, un traitement de durcissement est nécessaire. Les méthodes de durcissement courantes comprennent le durcissement thermique, le durcissement aux ultraviolets ou le durcissement chimique. Grâce à un traitement de durcissement approprié, la pâte conductrice forme un chemin conducteur stable dans les vias. Les vias sont ensuite polis et nettoyés pour garantir une surface plane et répondre aux exigences d'emballage et d'intégration ultérieures.
Le remplissage en pâte conductrice présente une adhésivité et, après durcissement, le coefficient de dilatation thermique des vias conducteurs peut être ajusté pour être proche de celui du substrat. Cependant, la conductivité électrique de la pâte conductrice est généralement inférieure à celle des conducteurs métalliques, ce qui aura un certain impact sur les performances des appareils électroniques ; de plus, les vias remplis de pâte conductrice peuvent développer des problèmes de fiabilité tels que des fissures ou un délaminage lors d'une utilisation à long terme, et ces défauts limitent le champ d'application de cette méthode.
04
Résumé
Chaque substrat de verre via la technologie de traitement présente ses avantages significatifs ainsi que les limites correspondantes.
Le sablage présente un processus simple, un faible coût d'équipement et un fonctionnement flexible, et convient au traitement de vias de grand diamètre, présentant particulièrement des avantages dans la production de masse. Cependant, cette méthode présente encore des problèmes tels qu'une susceptibilité aux fissures, une rugosité de surface inégale, une grave pollution par la poussière, d'importants déchets de matériaux et une faible efficacité de traitement.
L'usinage par décharge électrochimique peut produire des vias en verre avec des rapports d'aspect élevés et une précision de traitement élevée. Cependant, ce procédé présente des inconvénients tels qu'un processus relativement complexe, une usure rapide des électrodes d'outil, un coût élevé, un traitement des liquides résiduaires gênant et une faible efficacité de traitement.
Le fonçage et le meulage de rainures présentent des avantages tels qu'une précision de traitement élevée, une excellente qualité de surface et de bonnes performances électriques, et conviennent à la fabrication de précision de structures tridimensionnelles complexes. Cependant, dans les structures à rapport d'aspect élevé, des problèmes tels qu'un remplissage incomplet, des cycles de processus longs et la génération de contraintes thermiques peuvent survenir.
L'ablation au laser présente des avantages tels qu'une précision de traitement élevée, une grande flexibilité et une efficacité élevée, mais en raison de sa grande zone affectée par la chaleur, elle est sujette aux contraintes thermiques et aux microfissures, et le coût de l'équipement est élevé. Dans le même temps, certains matériaux en verre ont de faibles taux d’absorption pour les lasers, ce qui entraîne une diminution de la qualité du traitement.
La gravure induite par laser présente des avantages tels qu'une haute précision, une formation rapide des vias et un traitement sans dommage. Les produits finis traités par ce procédé présentent une excellente qualité de surface et conviennent à la fabrication de vias en verre à rapport d'aspect élevé. Cependant, cette méthode présente un coût de traitement élevé et un équipement de traitement coûteux.
Différents substrats de verre via des technologies de remplissage ont également leurs avantages et inconvénients respectifs.
La technologie de remplissage par galvanoplastie métallique présente les caractéristiques d'une excellente conductivité électrique, d'un flux de processus mature et d'une capacité de remplissage efficace, et est devenue la principale méthode de remplissage par TGV. La méthode traditionnelle de remplissage complet présente des limites telles qu'une longue consommation de temps et un coût élevé. En comparaison, la technologie de remplissage partiel réduit considérablement la complexité et les coûts des processus grâce à des processus et des applications de matériaux optimisés tout en conservant d'excellentes performances électriques et une excellente intégrité structurelle.
La technologie de remplissage de pâte conductrice présente des avantages tels qu'un processus simple et un coût relativement faible, et présente un potentiel d'application dans l'emballage tridimensionnel et l'intégration de dispositifs passifs. Cependant, son application est limitée par une faible conductivité électrique, une mauvaise stabilité et une résistance mécanique insuffisante.