Glas-Durchkontaktierungen (TGV)

Die Nachfrage nach Miniaturisierung, multifunktionellen und vernetzten Geräten wie Smartphones, Wearables und Internet-of-Things-Geräten ist rasant angestiegen. Diese Miniaturisierung und Funktionsvielfalt erhöht auch den Bedarf an hochdichten Verschaltungen mit hoher Bandbreite. Das Konzept der 2,5D- und 3D-IC-Integration im Packaging stellt einen Hauptfaktor bei der Erfüllung künftiger Leistungsanforderungen und der Anwendbarkeit auf kommerzielle Produkte dar. Die extrem hohe Anzahl von I/O-Verbindungen wird mithilfe von Interposern ermöglicht.

Interposer sind als elektrische Leitungsschnittstellen zwischen Verbindungen genutzte Substrate. Ein Interposer dient dazu, Verbindungen physisch zu erweitern oder eine Verbindung zu einer anders gestalteten Konnektorform zu ermöglichen. Bei Interposern handelt es sich um Substrate unterschiedlicher Formate mit einer großen Anzahl von Löchern (Durchkontaktierungen). Von 2,5D-Interposern sind eine hohe Verschaltungsdichte bei zugleich geringer Verbindungslänge, eine geringe Leistungsaufnahme und niedrige Packaging-Kosten zu erwarten. Für eine hohe Verschaltungsdichte werden entsprechend dicht angeordnete Durchkontaktierungen benötigt. Interposer werden in der Entwicklung zur heterogenen Integration mehrerer ICs zu einer einzelnen Plattform/einem einzelnen Package eingesetzt. Interposer ermöglichen auch dicht gepackte ICs in einem Gehäuse oder auf einem Substrat, insbesondere bei besonders kleinen I/O- und Leiterbahnabständen. Für Hochleistungsanwendungen müssen die derzeitigen Interposer eine hohe Anzahl von I/Os in extrem feinen Abständen, hohe Abmessungsstabilität, äußerst geringe Verwölbung, hohe Temperaturstabilität und geringe CTE-Unterschiede aufweisen.

Einer der bekanntesten und am häufigsten eingesetzten Interposertypen ist der TSV-Interposer mit Siliziumdurchkontaktierungen. Neben Silizium und organischen Materialien gilt auch Glas als geeignetes Material zur Herstellung von Interposern für Hochleistungsanwendungen. Der Werkstoff Glas und die daraus hergestellten Interposer ermöglichen eine ausgezeichnete Abmessungsstabilität, einen eng mit dem Silizium-Die übereinstimmenden und gut anpassbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), hohe Wärmestabilität und einen hohen elektrischen Widerstand. 

Die Zusammensetzung von Glas lässt sich ändern, was eine Anpassung der Glaseigenschaften an die jeweilige Anwendung ermöglicht. Glas hat zahlreiche Eigenschaften, die es zu einem besseren Substrat für HF-Komponenten machen als Silizium, etwa sein extrem hoher Widerstand und der geringe elektrische Verlust. Daher ist Glas ein hochinteressanter Kandidat für neue Substrattechnologien mit Interposern.

Auch lässt sich Glas in Form eines Wafers oder einer Platte herstellen. Verschiedene Dicken sind möglich, darunter auch ultradünne Varianten. Der Schmelzformungsprozess ermöglicht qualitativ hochwertige Substrate in großem Format (> 1 m Größe). Neben der Skalierung der Glassubstratgröße ist auch ultradünnes flexibles Glas mit einer Dicke von nur etwa 100 µm lieferbar. Große Substrate in Wafer- oder Plattenform mit einer Dicke von 100 µm schaffen beachtliche Möglichkeiten hinsichtlich der Senkung der Herstellungskosten von Glas-Interposern.

Ein Bereich, in dem sich Glas-Interposer bereits etabliert haben, ist das HF-Packaging. Der Grund hierfür sind die besonderen Eigenschaften von Glas, etwa sein geringer elektrischer Verlust insbesondere bei hohen Frequenzen. Seine relativ hohe Steifigkeit und die Möglichkeit zum Anpassen des Wärmeausdehnungskoeffizienten bieten Vorteile in Bezug auf Verwölbungen in den Glaskernsubstraten und den gebondeten Stapeln.

Packaging auf Wafer-Ebene ist eine Schlüsseltechnologie für eine erhöhte Lebensdauer und Zuverlässigkeit von MEMS-Devices. TSV-Technologie kommt bei der MEMS-Verkapselung recht häufig zum Einsatz. Wenn Glas zum Herstellen von Sensoren als Capping-Wafer genutzt wird, können Glas-Durchkontaktierungen für eine vertikale Verbindung durch das Glassubstrat sorgen. Derzeit wird eine neue Form von Packaging-Substrat entwickelt, bei der eine ganze Glasplatte (oder ein Teil davon) eingesetzt wird. Diese Art von Packaging-Substrat wird im Photonics-Packaging, in Hochleistungsrechnern und auf anderen Gebieten angewandt.

Glas als Substrat zur Die-Einbettung liefert zahlreiche Vorteile gegenüber den derzeitigen Fan-Out-Packaging-Technologien auf Waferebene (WLFO). Die glatte Oberfläche und die hohe Abmessungsstabilität von Glas ermöglichen eine siliziumartige Verdrahtung der Umverteilungsschicht (RDL) und BEOL-artige I/Os selbst auf großen Platten mit einer herausragenden Kombination aus ultrahoher I/O-Anzahl und geringen Kosten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas ist anpassbar, was eine direkte Anbringung an die Platine gestattet. Glas liefert auch einen hohen Widerstand, ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit und eine höhere Oberflächenglattheit als Formkomponenten.