Un article pour comprendre l'emballage 3D à travers le verre via la technologie de traitement (TGV)

Un article pour comprendre l'emballage 3D à travers le verre via la technologie de traitement (TGV)

"More than Moore" exploite ​empilement 3D​pour permettre ​l'intégration hétérogène​de multiples puces grâce à ​des interconnexions dans le plan et verticales​, employant ​l'intégration au niveau du système​pour améliorer considérablement ​l'efficacité du facteur de forme​. La technologie d'interconnexion verticale étend la mise à l'échelle dimensionnelle le long de l'axe ​z​, stimulant les progrès continus de ​l'intégration au niveau du système​. ​La technologie des vias à travers l'interposeur​, mise en œuvre via ​des approches via-first basées sur l'interposeur​, est l'une des solutions d'interconnexion 3D les plus prometteuses et est devenue un ​centre de recherche mondial​dans l'emballage avancé.

Historiquement, ​les substrats en verre​ont rencontré des difficultés pour obtenir une ​qualité des trous​(par exemple, géométrie des vias, rugosité de surface) qui répondait aux ​exigences de fiabilité​des concepteurs et des utilisateurs finaux, posant un goulot d'étranglement critique pour l'adoption des ​vias à travers le verre (TGV)​dans l'emballage avancé. Pour les ​fonderies​, cette technologie nécessite encore des progrès substantiels dans :

1. Contrôle de l'uniformité pour les vias à ​rapport d'aspect élevé (AR > 50:1)​​
2. Optimisation de ​l'adhérence interface verre-métal​​
3. Atténuation des ​contraintes thermomécaniques​pendant la fabrication

Pour obtenir une ​structuration du verre haute densité et haute précision​, des recherches approfondies ont été menées sur des méthodes avancées, notamment :

1. ​Micro-usinage mécanique​: Permet le modelage de vias à l'échelle du micron
2. ​Refusion du verre​: Modelage sans masque via un remodelage piloté par la tension superficielle
3. ​Décharge focalisée​: Gravure au plasma pour une résolution améliorée
4. ​Verre à résine photosensible durcissable aux UV​: Gravure sélective par photolithographie
5. ​Ablation laser​: Perçage sans contact avec une précision submicronique
6. ​Procédés induits par laser​: Métallisation sélective et modification de surface

Classification et analyse systématiques des technologies de micro-usinage :​​

1. ​​Micro-usinage mécanique​​
   Le micro-usinage mécanique représente la méthode de fabrication la plus conventionnelle et directe, employant des outils de micro-coupe ou des agents abrasifs pour éliminer les zones de matériau exposées des pièces. Il est largement reconnu que les matériaux fragiles présentent un ​écoulement ductile​plutôt qu'une ​fracture fragile​lorsque la profondeur de coupe reste significativement inférieure au seuil critique
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   . Inspirées par ce mécanisme de déformation, diverses techniques de micro-usinage à dominance ductile ont été développées, notamment le ​micro-tournage​, le ​fraisage​, le ​perçage​et le ​micro-meulage​, ainsi que leurs combinaisons hybrides. Ces méthodes permettent la production de composants en verre de précision avec des dommages de surface/sous-surface minimisés.

​Usinage par jet abrasif (AJM)​​
En tant que variante AJM rentable, l'usinage par jet abrasif utilise des jets chargés d'abrasifs à grande vitesse (50-100 m/s) pour éroder les matériaux durs par des mécanismes d'impact. Le procédé utilise des ​micro-abrasifs​(5-50 μm) entraînés dans des jets de gaz/eau, offrant des avantages tels que :

• Forces de contact réduites (<10 N)
• Distorsion thermique minimale (<50°C)
• Compatibilité avec Si, verre, Al₂O₃ et composites

​Paramètres clés du processus :​​

​Mise en œuvre AJM basée sur un masque​​
Pour obtenir une résolution inférieure à 10 μm, les chercheurs ont adopté un processus AJM en deux étapes :

1. ​Masquage à la résine photosensible SU-8​: Vias modelés par lithographie UV (exposition à 365 nm)
2. ​Gravure par jet abrasif Al₂O₃​:
   • Paramètres du processus : pression de 0,5 MPa, angle d'incidence de 45°
   • Diamètre de TGV obtenu : 600 μm (uniformité de ±5 %)
   • Substrat : verre Pyrex 7740 de 500 μm d'épaisseur

​Limitations de performance (Fig. X) :​​

• ​Variabilité du diamètre​: Écart de ±8 % dû aux effets de déviation du jet
• ​Rugosité de surface​: Ra > 100 nm aux entrées des vias
• ​Retournement des bords​: Surcoupe latérale de 20-30 μm aux intersections

Comme illustré dans les figures suivantes, le micro-usinage mécanique présente une cohérence TGV inférieure à celle des méthodes basées sur le laser. Les fluctuations dimensionnelles observées (σ > 15 μm) et les irrégularités de profil peuvent dégrader l'intégrité du signal en raison de :

• Augmentation de la capacité parasite (>15 %)
• Hystérésis capacité-tension (C-V)
• Sensibilité à l'électromigration

Cette analyse correspond aux conclusions de SEMATECH sur la fiabilité des vias à travers le verre dans les applications d'emballage 3D.

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Les vibrations ultrasonores améliorent l'efficacité de l'usinage en permettant aux ​outils à pointe en réseau​d'interagir avec les particules abrasives sous oscillation à haute fréquence. Les grains abrasifs à haute énergie (par exemple, 1 μm SiC) impactent le substrat en verre, accélérant la formation des vias tout en atteignant des ​rapports d'aspect​(profondeur/diamètre) plus élevés.

​Étude de cas (Fig. X) :​​

• ​Conception de l'outil​: Outil personnalisé en acier inoxydable avec des pointes en réseau carrées de 6 × 6
• ​Paramètres du processus​:
  • Abrasif : particules de SiC de 1 μm
  • Substrat : verre de 1,1 mm d'épaisseur
  • Sortie : via carré conique de 260 μm × 270 μm
  • Rapport d'aspect : 5:1 (profondeur/diamètre moyen)
  • Taux de gravure : 6 μm/s
  • Débit : ~4 minutes par via

Limitations et optimisation :​​
Bien que l'outillage multi-pointes augmente la densité du réseau (par exemple, réseaux de 10 × 10), les gains d'efficacité pratiques restent limités par :

1. ​Dynamique des collisions​: Le chevauchement des pointes provoque des interférences pendant les vibrations ultrasonores
2. ​Utilisation d'abrasifs​: La perte de particules réduit la durée de vie de coupe effective
3. ​Gestion thermique​: Chaleur de friction cumulative à hautes fréquences (>20 kHz)

Cette approche permet d'obtenir ~300 vias/heure avec une cohérence dimensionnelle de 85 % (σ < 5 μm), surpassant l'AJM conventionnel de 4 fois en vitesse, mais limitée par la complexité de l'outil. Pour les applications à haut débit, des systèmes hybrides combinant l'agitation ultrasonore avec la focalisation assistée par laser sont en cours d'investigation pour atténuer ces goulots d'étranglement.