中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)向高性能、小型化、低成本的方向迅猛發(fā)展的當(dāng)下，先進(jìn)封裝技術(shù)已然成為突破摩爾定律瓶頸、推動(dòng)行業(yè)前行的核心驅(qū)動(dòng)力。其中，TGV（玻璃通孔）技術(shù)與TSV（硅基通孔）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)芯片間三維互連的關(guān)鍵方案，正展開激烈的技術(shù)競(jìng)賽，引發(fā)了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的高度關(guān)注。​

核心技術(shù)原理：相似路徑，不同材質(zhì)​

TSV技術(shù)的核心目標(biāo)是達(dá)成芯片內(nèi)部不同層面間的電氣連接。其具體操作流程為，在硅晶圓上精準(zhǔn)蝕刻出垂直貫通的微小通孔，隨后在這些通孔中填充銅、鎢等導(dǎo)電材料。

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TGV技術(shù)則是在玻璃基板上構(gòu)建垂直貫通的微小通孔，并填充導(dǎo)電材料來實(shí)現(xiàn)電氣連接。在玻璃材料的選擇上，通常會(huì)選用具有較低熱膨脹系數(shù)和較高介電性能的高品質(zhì)硼硅玻璃或石英玻璃。

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性能特點(diǎn)：各有千秋，TGV高頻優(yōu)勢(shì)凸顯​

信號(hào)完整性：在信號(hào)完整性方面，TSV與TGV各具特色。TSV技術(shù)依托硅材料的特性，在精確工藝控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、低噪聲和低失真的信號(hào)傳輸。然而，隨著芯片集成度向5nm以下制程不斷逼近，硅材料中自由載流子引發(fā)的信號(hào)干擾問題愈發(fā)嚴(yán)重。特別是在6GHz以上的高頻場(chǎng)景下，信號(hào)衰減率大大增加，這嚴(yán)重限制了其在5G基站、數(shù)據(jù)中心等對(duì)高頻性能要求極高的領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。TGV技術(shù)則與之形成鮮明對(duì)比，玻璃材料的介電常數(shù)低至3.8，僅為硅材料的1/3，損耗因子低于0.001，較硅材料低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠更好地滿足信號(hào)高速、穩(wěn)定傳輸?shù)男枨蟆?/p>

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機(jī)械性能：在機(jī)械性能方面，硅材料硬度和強(qiáng)度較高，但受到較大外力沖擊時(shí)，容易發(fā)生脆性斷裂。玻璃材料相對(duì)較脆，但其機(jī)械穩(wěn)定性較強(qiáng)，特別是在厚度小于100μm時(shí)，翹曲程度極小。在對(duì)芯片尺寸和厚度要求較高的可穿戴設(shè)備和移動(dòng)終端等應(yīng)用中，TGV技術(shù)所采用的玻璃基板能夠在保證機(jī)械性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更輕薄的設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

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應(yīng)用領(lǐng)域：市場(chǎng)分化，各據(jù)優(yōu)勢(shì)賽道​

TSV應(yīng)用領(lǐng)域：憑借在提高芯片互連密度和降低信號(hào)傳輸延遲方面的顯著優(yōu)勢(shì)，TSV技術(shù)在高性能芯片領(lǐng)域占據(jù)了重要地位，以英偉達(dá)H100GPU為例，通過TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片互連，使其數(shù)據(jù)處理速度提升了3倍，有力地支撐了AI訓(xùn)練等高密度計(jì)算需求。在存儲(chǔ)器領(lǐng)域，特別是堆疊式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的制作中，TSV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的存儲(chǔ)容量和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和快速讀寫的需求。在處理器和圖像傳感器等芯片中，TSV技術(shù)的應(yīng)用也可顯著提升芯片性能，使處理器能夠更快地處理數(shù)據(jù)，圖像傳感器能夠更快速、準(zhǔn)確地捕捉和傳輸圖像信號(hào)。​

H100GPU核心  來源:英偉達(dá)

TGV應(yīng)用領(lǐng)域：TGV技術(shù)憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)新興領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿�。在射頻和微波領(lǐng)域，TGV技術(shù)的優(yōu)良高頻電學(xué)特性能夠有效減少信號(hào)傳輸過程中的損耗和干擾，提升射頻系統(tǒng)的性能；在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中，TGV技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)MEMS器件與其他芯片之間的高效互連，推動(dòng)MEMS技術(shù)在傳感器、執(zhí)行器等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展；在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，TGV技術(shù)作為一種新興的縱向互連技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)芯片之間距離最短、間距最小的互聯(lián)，為系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）和三維集成提供更優(yōu)的解決方案，推動(dòng)電子產(chǎn)品向小型化、高性能化方向發(fā)展。​

基于TGV技術(shù)的全息天線  來源：Galler.High-gain millimeter-wave holographic antenna in package using glass technology

技術(shù)瓶頸與突破：挑戰(zhàn)并存，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)前行​

TSV技術(shù)瓶頸：盡管TSV技術(shù)應(yīng)用廣泛，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，成本問題尤為突出，在HBM（高帶寬內(nèi)存）封裝中，TSV成本占比接近30%，這在很大程度上制約了其大規(guī)模應(yīng)用，隨著芯片集成度的不斷提高，硅材料在高頻應(yīng)用中的信號(hào)完整性問題也日益凸顯，成為阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。​

TGV技術(shù)瓶頸：TGV技術(shù)同樣面臨難題，玻璃深孔加工難度較大，傳統(tǒng)的激光鉆孔法在制作高深寬比通孔時(shí)，效率不足硅蝕刻的1/5。玻璃材料相對(duì)較脆，在加工過程中容易出現(xiàn)破裂等問題，影響產(chǎn)品良率。

展望：技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革​

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，對(duì)芯片性能、尺寸和成本的要求不斷提高，TSV技術(shù)和TGV技術(shù)將持續(xù)演進(jìn)。未來，這兩種技術(shù)可能會(huì)相互融合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同推動(dòng)半導(dǎo)體封裝技術(shù)向更高水平發(fā)展，為電子產(chǎn)品的性能提升和創(chuàng)新提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。

參考來源:

鐘毅.芯片三維互連技術(shù)及異質(zhì)集成研究進(jìn)展

郭育華.玻璃通孔的高頻傳輸性能

Galler.High-gain millimeter-wave holographic antenna in package using glass technology

(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/月明)

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