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摘要
隨著摩爾定律逐漸放緩,異質整合已成為提升系統效能與功能密度的關鍵技術。先進封裝技術不僅是晶片尺寸縮小的延伸,更是異質系統整合的核心支撐。本文探討了二種具代表性的先進封裝技術:穿矽通孔 (Through Silicon Via ,TSV)以及玻璃穿孔 (Through Glass Via ,TGV),分析其技術原理、優缺點與應用場景,並比較其在成本、效能與可擴展性上的異同。此外,文章特別針對玻璃穿孔 (Through Glass Via ,TGV) 製程挑戰進行深入分析,並介紹工研院開發之創新濕式製程,有效解決物理氣相沉積 (Physical vapor deposition,PVD) 於高深寬比孔洞中附著與填充不良問題,為未來異質整合封裝提供具備實用性與可量產潛力的解決方案。
Abstract
As Moore’s Law continues to slow, heterogeneous integration has emerged as a critical technology for enhancing system performance and functional density. Advanced packaging technologies are no longer merely an extension of chip miniaturization, but rather a foundational enabler of heterogeneous system integration. This article explores two representative advanced packaging technologies: Through-Silicon Via (TSV) and Through-Glass Via (TGV), analyzing their technical principles, advantages and limitations, and application scenarios. It also compares their differences in terms of cost, performance, and scalability. In particular, the study delves into the manufacturing challenges of TGV and introduces an innovative wet-process solution developed by ITRI, which effectively addresses adhesion and filling issues encountered with PVD in high aspect ratio vias. This advancement offers a practical and scalable solution for future heterogeneous integration packaging.
前言
隨著人工智能 (AI)、物聯網 (IoT)、大數據、機器學習、自動化等新興技術的普及,對高效能、高頻傳輸、低功耗的需求持續增長,推動先進封裝技術的發展。晶片封裝技術朝向異質整合、多層堆疊和先進封裝材料方向發展[1]- [5]。異質整合將不同類型的晶片集成在一個封裝內,實現更多功能的集成與協同工作。多層堆疊技術則通過垂直堆疊多個晶片,進一步提高集成度和性能,這些發展方向將推動封裝朝2.5D IC及3D IC的目標邁進。在發展趨勢中,TSV(Through-Silicon Via,穿矽通孔)和TGV(Through-Glass Via,穿玻璃通孔)扮演關鍵角色[6]。TSV技術透過在矽晶圓中建立垂直通孔,實現晶片間的高速垂直互連,是實現3D IC堆疊的核心技術之一。TGV則應用於玻璃基板上,具有低損耗、高絕緣性及良好熱穩定性等優勢,適用於高頻高速訊號傳輸,特別在RF與光電領域具潛力。這些垂直互連技術的導入,有助於提升封裝密度、性能與系統整合能力,進一步推動半導體封裝朝向高效能與小型化的方向邁進。
2.5D IC vs 3D IC
2.5D IC 技術的核心在於矽中介層 (Interposer) 上布局處理器、記憶體及其他晶片,這些晶片通過微型凸塊 (Micro Bump) 實現互連,使得矽中介層內的金屬互連線可以傳輸各個晶片之間的電子訊號。隨後,這些訊號通過矽穿孔 (TSV) 連接至下方的錫鉛凸塊 (Solder Bump),進而通過導線載板與外部金屬球建立更加緊密的晶片與封裝基板之間的互連。3D IC 技術在晶片製造過程中直接構建電晶體 (CMOS) 結構,並利用矽穿孔技術在垂直方向上連接不同晶片的電子訊號,實現記憶體或其他晶片的垂直堆疊。由於在晶片內直接製作矽穿孔技術的挑戰性極高,但隨著高效能運算 (HPC) 和人工智慧 (AI) 等應用的興起,以及矽穿孔技術的日益成熟,越來越多的中央處理器 (CPU)、圖形處理器 (GPU) 和記憶體開始採用3D封裝技術。
先進封裝關鍵技術
半導體先進封裝中的四大核心技術包括矽穿孔 (Through Silicon Via, TSV)、晶圓接合技術、晶圓薄化以及薄晶圓處理。其中,TSV主要應用於半導體後段銅製程技術,而其餘三項技術則主要為實現3D IC堆疊而發展。TSV技術通過在矽中介層中填入銅,實現上下層晶片間的電子訊號傳遞。近期,玻璃穿孔 (Through Glass Via, TGV) 技術也得到了發展,將矽中介層替換為玻璃中介層。由於玻璃具有更優越的材料特性,如高熱穩定性、低介電係數和高機械強度等,玻璃基板封裝技術逐漸成為未來發展的趨勢。
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2025年09月號
(單篇費用:參考材化所定價)