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Un artículo para comprender el empaquetado 3D a través de la tecnología de procesamiento de vidrio vía (TGV)

"Más que Moore" aprovecha ​​apilamiento 3D​​ para habilitar ​​integración heterogénea​​ de múltiples chips a través de ​​interconexiones en el plano y verticales​​, empleando ​​integración a nivel de sistema​​ para mejorar significativamente ​​e la eficiencia del factor de forma​​. La tecnología de interconexión vertical extiende el escalado dimensional a lo largo del ​​eje z​​, impulsando los avances continuos en ​​integración a nivel de sistema​​. ​​La tecnología de vía a través del interposer​​, implementada a través de ​​enfoques de vía primero basados en interposer​​, se erige como una de las soluciones de interconexión 3D más prometedoras y se ha convertido en un ​​enfoque de investigación global​​ en el empaquetado avanzado.

Históricamente, ​​sustratos de vidrio​​ se enfrentaron a desafíos para lograr la ​​calidad del agujero​​ (por ejemplo, geometría de la vía, rugosidad de la superficie) que cumpliera con los ​​requisitos de fiabilidad​​ de los diseñadores y usuarios finales, lo que representa un cuello de botella crítico para la adopción de ​​vidrio a través de vía (TGV)​​ en el empaquetado avanzado. Para ​​fábricas​​, esta tecnología aún requiere un progreso sustancial en:

1. Control de uniformidad para ​​vías de alta relación de aspecto (AR > 50:1)​​
2. Optimización de la ​​adhesión de la interfaz vidrio-metal​​
3. Mitigación de ​​estrés térmico-mecánico​​ durante la fabricación

Para lograr ​​estructuración de vidrio de alta densidad y alta precisión​​, se ha realizado una extensa investigación sobre métodos avanzados, incluyendo:

1. ​​Micro-mecanizado mecánico​​: Permite el modelado de vías a escala de micras
2. ​​Reflujo de vidrio​​: Modelado sin máscara mediante remodelación impulsada por la tensión superficial
3. ​​Descarga enfocada​​: Grabado por plasma para una resolución mejorada
4. ​​Vidrio de fotorresistente curable por UV​​: Grabado selectivo a través de fotolitografía
5. ​​Ablación por láser​​: Perforación sin contacto con precisión submicrométrica
6. ​​Procesos inducidos por láser​​: Metalización selectiva y modificación de la superficie

Clasificación y análisis sistemáticos de las tecnologías de micromecanizado:​​

1. ​​Micro-mecanizado mecánico​​
   El micromecanizado mecánico representa el método de fabricación más convencional y directo, empleando herramientas de microcorte o agentes abrasivos para eliminar las regiones de material expuestas de las piezas de trabajo. Es ampliamente reconocido que los materiales frágiles exhiben ​​flujo dúctil​​ en lugar de ​​fractura frágil​​ cuando la profundidad de corte permanece significativamente por debajo del umbral crítico
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   . Inspirado por este mecanismo de deformación, se han desarrollado varias técnicas de micromecanizado dominadas por la ductilidad, incluyendo ​​micro-torneado​​, ​​fresado​​, ​​perforación​​, y ​​micro-rectificado​​, junto con sus combinaciones híbridas. Estos métodos permiten la producción de componentes de vidrio de precisión con daños superficiales/subsuperficiales minimizados.

​​Mecanizado por chorro abrasivo (AJM)​​
Como una variante de AJM rentable, el mecanizado por chorro abrasivo emplea chorros cargados de abrasivos de alta velocidad (50-100 m/s) para erosionar materiales duros a través de mecanismos de impacto. El proceso utiliza ​​micro-abrasivos​​ (5-50 μm) arrastrados en chorros de gas/agua, ofreciendo ventajas como:

• Fuerzas de contacto reducidas (<10 N)
• Distorsión térmica mínima (<50°C)
• Compatibilidad con Si, vidrio, Al₂O₃ y compuestos

​​Parámetros clave del proceso:​​

​​Implementación de AJM basada en máscara​​
Para lograr una resolución sub-10 μm, los investigadores adoptaron un proceso AJM de dos etapas:

1. ​​Enmascaramiento de fotorresistente SU-8​​: Vía modelada por litografía UV (exposición a 365 nm)
2. ​​Grabado por chorro abrasivo de Al₂O₃​​:
   • Parámetros del proceso: presión de 0,5 MPa, ángulo de incidencia de 45°
   • Diámetro de TGV logrado: 600 μm (±5% de uniformidad)
   • Sustrato: vidrio Pyrex 7740 de 500 μm de espesor

​​Limitaciones de rendimiento (Fig. X):​​

• ​​Variabilidad del diámetro​​: Desviación de ±8% debido a los efectos de deflexión del chorro
• ​​Rugosidad de la superficie​​: Ra > 100 nm en las entradas de las vías
• ​​Desbordamiento de bordes​​: 20-30 μm de sobrecorte lateral en las intersecciones

Como se ilustra en las siguientes figuras, el micromecanizado mecánico exhibe una consistencia de TGV inferior en comparación con los métodos basados en láser. Las fluctuaciones dimensionales observadas (σ > 15 μm) y las irregularidades del perfil pueden degradar la integridad de la señal a través de:

• Aumento de la capacitancia parásita (>15%)
• Histéresis de capacitancia-voltaje (C-V)
• Susceptibilidad a la electromigración

Este análisis se alinea con los hallazgos de SEMATECH sobre la fiabilidad de las vías a través del vidrio en aplicaciones de empaquetado 3D.

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La vibración ultrasónica mejora la eficiencia del mecanizado al permitir que las ​​herramientas de punta en matriz​​ interactúen con las partículas abrasivas bajo oscilación de alta frecuencia. Los granos abrasivos de alta energía (por ejemplo, 1 μm SiC) impactan el sustrato de vidrio, acelerando la formación de vías al tiempo que logran ​​relaciones de aspecto​​ (profundidad-diámetro) más altas.

​​Estudio de caso (Fig. X):​​

• ​​Diseño de la herramienta​​: Herramienta de acero inoxidable personalizada con puntas en matriz cuadrada de 6×6
• ​​Parámetros del proceso​​:
  • Abrasivo: partículas de 1 μm SiC
  • Sustrato: vidrio de 1,1 mm de espesor
  • Salida: vía cuadrada cónica de 260 μm × 270 μm
  • Relación de aspecto: 5:1 (profundidad/diámetro promedio)
  • Velocidad de grabado: 6 μm/s
  • Rendimiento: ~4 minutos por vía

Limitaciones y optimización:​​
Si bien las herramientas de puntas múltiples aumentan la densidad de la matriz (por ejemplo, matrices de 10×10), las ganancias de eficiencia práctica siguen limitadas por:

1. ​​Dinámica de colisión​​: La superposición de puntas causa interferencia durante la vibración ultrasónica
2. ​​Utilización de abrasivos​​: El desprendimiento de partículas reduce la vida útil de corte efectiva
3. ​​Gestión térmica​​: Calor de fricción acumulativo a altas frecuencias (>20 kHz)

Este enfoque logra ~300 vías/hora con un 85% de consistencia dimensional (σ < 5 μm), superando al AJM convencional en 4× en velocidad, pero limitado por la complejidad de la herramienta. Para aplicaciones de alto rendimiento, se están investigando sistemas híbridos que combinan la agitación ultrasónica con el enfoque asistido por láser para mitigar estos cuellos de botella.