Sa brzim razvojem poluvodičke tehnologije, potražnja za minijaturizacijom i visokim performansama elektronskih uređaja sve više raste [1-3]. Radna okruženja uređaja visokih performansi su zahtjevnija i zahtijevaju pouzdanije i izdržljivije tehnologije pakiranja. Trenutno, sa brzim razvojem industrije integrisanih kola, tehnologija pakovanja je prešla sa tradicionalnog dvodimenzionalnog planarnog pakovanja na trodimenzionalno pakovanje. Staklene podloge, zahvaljujući svojim odličnim električnim, mehaničkim i termičkim svojstvima, postepeno su postale napredni materijal za pakovanje. Među njima, TGV može postići vertikalne interkonekcije visoke gustoće s malim gubicima i jedno je od važnih tehničkih sredstava za realizaciju pakiranja visoke gustoće i trodimenzionalne integracije [4].
Srž TGV tehnologije leži u procesu obrade i punjenja, jer ova dva koraka direktno određuju stabilnost i električne performanse pakovanja čipova. Tehnologija obrade utiče na veličinu, oblik i efikasnost obrade otvora, dok tehnologija punjenja određuje električne performanse i mehaničku čvrstoću interkonekcija.
02
Staklena podloga putem tehnologije obrade
Tehnologija obrade je ključni proces za TGV za postizanje višeslojne interkonekcije i pakovanja visoke gustine. Zahteva visoku efikasnost obrade i visoku preciznost, a rezultujući spojevi treba da imaju dobar kvalitet površine, kao i odličnu vertikalnost i odnos širine i visine. Glavne tehnologije obrade uključuju pjeskarenje, elektrohemijsku obradu pražnjenjem, udubljenje i brušenje žljebova, lasersku ablaciju i laserski indukovano jetkanje.
2.1 Pjeskarenje
Pjeskarenje je tehnika obrade koja nagriza staklene podloge raspršivanjem finih čestica pod visokim tlakom kako bi se formirale otvore [5]. Čvrsto-tečno smjesa se raspršuje velikom brzinom kroz mlaznicu kako bi udarila u površinu staklene podloge, postepeno ugrizajući i uklanjajući materijal sve dok se ne formira unaprijed određena struktura rupa.
Pjeskarenje ima odličnu prilagodljivost obrade i može se nositi sa staklenim podlogama različitih veličina i debljina. Nudi visoku fleksibilnost obrade, može obraditi prolaze različitih oblika i veličina, a odlikuje se niskim troškovima opreme i jednostavnim radom, što ga čini pogodnim za masovnu proizvodnju. Međutim, TGV površine proizvedene ovom metodom imaju neujednačenu hrapavost, a postoje i problemi kao što su zagađenje prašinom, otpad materijala i niska efikasnost obrade.
2.2 Elektrohemijska obrada pražnjenjem
Obrada elektrohemijskim pražnjenjem je netradicionalna metoda obrade koja kombinuje prednosti elektrohemijske obrade i mašinske obrade električnim pražnjenjem, a posebno je pogodna za obradu tvrdih i krhkih materijala kao što je staklo. Njegov osnovni princip je sledeći: pod dejstvom primenjenog napona, elektroda alata se podvrgava varničkom pražnjenju, oslobađajući ogromnu energiju; visoka temperatura i visoki pritisak koji nastaju u malom razmaku koji se formira između elektrode alata i materijala uzrokuju topljenje ili isparavanje materijala, koji se zatim uklanja udarom pod visokim pritiskom; istovremeno, visoka temperatura ubrzava hemijske reakcije, čineći hemijsku koroziju materijala alkalnim rastvorom značajnijom, čime se završava proces obrade pod kombinovanim fizičkim i hemijskim efektima.
Elektrohemijska obrada pražnjenjem se široko koristi za obradu površinskih mikrostruktura izolacionih tvrdih i krhkih materijala, kao što su mikro udubljenja, mikro rupe i mikro žljebovi. Kroz ovu metodu, složene mikrostrukture se mogu precizno proizvesti kako bi zadovoljile zahtjeve visoke preciznosti obrade. Međutim, ova metoda također ima nekoliko nedostataka, kao što su brzo trošenje elektroda, otežana kontrola procesa, visoka cijena opreme i relativno mala brzina obrade.
2.3 Udubljenje i brušenje žljebova
Utapanje i mljevenje žljebova je metoda u kojoj se materijal (obično u tekućem ili omekšanom stanju) taloži u žljebove kalupa ili podloge sa specifičnom morfologijom, formira željeni oblik i strukturu kroz hlađenje ili skrućivanje, a zatim se podvrgava planarizaciji i tretmanu mljevenja [6]. Prednosti udubljenja i brušenja žljebova uključuju dobre performanse električne izolacije i odličan kvalitet površine, a ovaj proces može pojednostaviti proizvodnju složenih trodimenzionalnih struktura. Međutim, u strukturama visokog omjera mogu postojati problemi kao što su nepotpuno punjenje, dugo vrijeme procesa i stvaranje toplinskog naprezanja.
2.4 Laserska ablacija
Laserska ablacija je tehnologija koja koristi laserski snop visoke energije za uklanjanje materijala za proizvodnju staklenih otvora. Njegov princip je fokusiranje laserske zrake visoke energije na staklenu podlogu, stvarajući ekstremno visoke temperature u lokaliziranom području, uzrokujući tako da se materijal trenutno topi ili isparava i uklanja izbacivanjem ili isparavanjem [7].
Laserska ablacija nudi visoku preciznost obrade, snažnu fleksibilnost, bez mehaničkog naprezanja i veliku brzinu obrade, ali također ima defekte kao što su izbočine, krhotine, mikro-pukotine i opekotine. Ovi nedostaci mogu negativno utjecati na kvalitetu naknadnih procesa spajanja s drugim materijalima (kao što su metali, keramika ili kompoziti), što dovodi do smanjene čvrstoće vezivanja i smanjene trajnosti.
2.5 Laserski indukovano jetkanje
LPKF iz Njemačke je predložio laserski indukovano jetkanje [8]. Koraci procesa su sljedeći: prvo očistite staklenu podlogu kako biste osigurali da površina nema prašine i ulja i prekrijte je maskom kako biste zaštitili područja koja ne trebaju obradu; zatim odabrati odgovarajući laser i postaviti parametre, te koristiti kompjuterski kontrolirano pozicioniranje laserskog zraka za ozračivanje stakla i promjenu njegove strukture; na kraju, uronite staklenu podlogu u rastvor za hemijsko jetkanje kako biste preferencijalno rastvorili laserski tretirana područja, kontrolišući vreme jetkanja i koncentraciju rastvora kako bi se postigla potrebna dubina i struktura jetkanja.
U poređenju sa pjeskarenjem, elektrohemijskom obradom, potapanjem i brušenjem žljebova i laserskom ablacijom, laserski indukovano jetkanje ima značajne prednosti u visokoj preciznosti, fleksibilnosti obrade i kvaliteti površine. Laserski indukovano jetkanje kombinuje preciznost laserskog prethodnog tretmana sa selektivnošću hemijskog jetkanja. Ovom metodom se može postići visokokvalitetna TGV obrada i prevladati nedostaci tradicionalnih metoda u preciznosti, efikasnosti i primjenjivosti materijala. Međutim, ova metoda ima problem niske vertikalnosti obrađenih otvora, a oprema koja se koristi za lasersku modifikaciju je skupa.
03
Staklena podloga putem tehnologije punjenja
Nakon formiranja TGV-a, potrebno ih je napuniti kako bi se postigla električna povezanost. Proces punjenja je ključni korak za realizaciju višeslojnog povezivanja visokih performansi i pakovanja velike gustine, a uglavnom uključuje punjenje metalnom galvanizacijom i punjenje provodljivom pastom.
3.1 Metalna galvanizacija Punjenje
Nakon formiranja otvora, sloj metalnog sjemena treba nanijeti na unutrašnje zidove otvora, obično fizičkim taloženjem pare (PVD) ili hemijskim taloženjem pare (CVD). Materijal sloja sjemena je uglavnom bakar ili nikl, a bakar i nikl se pune u otvore kroz proces galvanizacije. Tokom galvanizacije, ioni metala se reduciraju na površini sloja sjemena pod djelovanjem električnog polja, postepeno ispunjavajući cijeli otvor. Budući da ovaj proces koristi metodu punjenja odozdo prema gore, potrebno je spriječiti stvaranje šupljina tokom punjenja, tako da je dugotrajan i skup. TGV spojevi ne moraju nužno biti potpuno ispunjeni; mogu se puniti duž bočnih zidova ili poluzatvorenom strukturom. Ova metoda punjenja se naziva djelomično punjenje. Tehnologija djelomičnog punjenja je već blizu tehnologije potpunog punjenja u električnim performansama i može optimizirati vrijeme i troškove galvanizacije.
Tehnologija punjenja metalnom galvanizacijom, sa svojom odličnom električnom provodljivošću, zrelim tokom procesa i efikasnom sposobnošću punjenja, postala je trenutno glavna metoda za TGV putem punjenja. To je zato što način punjenja odozdo prema gore može efikasno izbjeći stvaranje praznina i osigurati integritet strukture prolaza. Međutim, tradicionalna metoda punog punjenja ima ograničenja dugog vremena procesa i visoke cijene, te je sklona porama ili površinskim defektima pod velikom gustoćom struje. Tehnologija djelomičnog punjenja postiže električne performanse uporedive s punim punjenjem optimizirajući vrijeme i troškove procesa, a u kombinaciji s primjenom novih materijala kao što su srebrne nanožice, dodatno smanjuje troškove proizvodnje i složenost procesa.
3.2 Punjenje provodljivom pastom
Punjenje TGV provodnom pastom odnosi se na formiranje provodnih puteva punjenjem provodne paste u staklene otvore. Konduktivna pasta obično sadrži provodljive čestice (kao što su srebro, bakar, itd.) i veziva (kao što su epoksidna smola ili organski polimeri). Nakon što se u staklenoj podlozi formiraju visokoprecizni otvori, unutrašnje zidove otvora prvo treba površinski tretirati kako bi se poboljšala adhezija provodljive paste, a zatim se provodljiva pasta puni u staklene otvore sitotiskom, injekcijskim punjenjem ili premazom za štampanje. Kako bi se osigurala ujednačena distribucija provodljive paste u otvorima, obično se usvaja tehnologija punjenja uz pomoć vakuuma kako bi se eliminiralo zarobljavanje zraka i izbjeglo stvaranje šupljina. Nakon što je punjenje provodljivom pastom završeno, potreban je tretman očvršćavanja. Uobičajene metode stvrdnjavanja uključuju termičko očvršćavanje, ultraljubičasto očvršćavanje ili kemijsko očvršćavanje. Kroz odgovarajući tretman stvrdnjavanja, provodljiva pasta formira stabilnu provodnu stazu u vias. Vije se zatim poliraju i čiste kako bi se osigurala ravna površina i ispunili zahtjevi naknadnog pakiranja i integracije.
Ispuna provodljivom pastom ima adhezivnost, a nakon stvrdnjavanja, koeficijent toplinskog širenja provodnih otvora može se podesiti tako da bude blizak koeficijentu podloge. Međutim, električna provodljivost provodljive paste je obično niža od one kod metalnih provodnika, što će imati određeni uticaj na performanse elektronskih uređaja; osim toga, spojevi ispunjeni provodljivom pastom mogu razviti probleme s pouzdanošću kao što su pukotine ili raslojavanje tokom dugotrajne upotrebe, a ovi defekti ograničavaju opseg primjene ove metode.
04
Rezime
Svaka staklena podloga putem tehnologije obrade ima svoje značajne prednosti kao i odgovarajuća ograničenja.
Pjeskarenje ima jednostavan proces, nisku cijenu opreme i fleksibilan rad, te je pogodno za obradu spojeva velikog promjera, posebno ima prednosti u masovnoj proizvodnji. Međutim, ova metoda i dalje ima probleme kao što su osjetljivost na pukotine, nejednaka hrapavost površine, ozbiljno zagađenje prašinom, veliki otpad materijala i niska efikasnost obrade.
Elektrohemijska obrada može proizvesti staklene otvore sa visokim omjerima i visokom preciznošću obrade. Međutim, ova metoda ima nedostatke kao što su relativno složen proces, brzo trošenje elektrode alata, visoka cijena, problematičan tretman otpadne tekućine i niska efikasnost obrade.
Udubljenje i brušenje žljebova ima prednosti kao što su visoka preciznost obrade, odličan kvalitet površine i dobre električne performanse, te je pogodan za preciznu proizvodnju složenih trodimenzionalnih struktura. Međutim, u strukturama visokog omjera mogu se pojaviti problemi kao što su nepotpuno punjenje, dugi procesni ciklusi i stvaranje toplinskog naprezanja.
Laserska ablacija ima prednosti kao što su visoka preciznost obrade, snažna fleksibilnost i visoka efikasnost, ali je zbog velike zone pod utjecajem topline sklona termičkom naprezanju i mikropukotinama, a cijena opreme je visoka. U isto vrijeme, neki stakleni materijali imaju niske stope apsorpcije za lasere, što rezultira smanjenom kvalitetom obrade.
Lasersko inducirano jetkanje ima prednosti kao što su visoka preciznost, brzo formiranje i obrada bez oštećenja. Gotovi proizvodi obrađeni ovom metodom imaju odličan kvalitet površine i pogodni su za proizvodnju staklenih otvora visokog omjera širine i visine. Međutim, ova metoda ima visoku cijenu obrade i skupu opremu za obradu.
Različite staklene podloge putem tehnologije punjenja također imaju svoje prednosti i nedostatke.
Tehnologija punjenja metalnom galvanizacijom ima karakteristike odlične električne provodljivosti, zrelog protoka procesa i efikasne sposobnosti punjenja, i postala je glavna metoda za TGV putem punjenja. Tradicionalna metoda punog punjenja ima ograničenja kao što su dugotrajna potrošnja i visoka cijena. Za usporedbu, tehnologija djelomičnog punjenja uvelike smanjuje složenost procesa i troškove kroz optimizirane procese i primjene materijala uz održavanje odličnih električnih performansi i strukturalnog integriteta.
Tehnologija punjenja provodljivom pastom ima prednosti kao što su jednostavan proces i relativno niska cijena, te ima potencijal primjene u trodimenzionalnom pakiranju i integraciji pasivnih uređaja. Međutim, njegova primjena je ograničena niskom električnom provodljivošću, slabom stabilnošću i nedovoljnom mehaničkom čvrstoćom.