반도체 기술의 급속한 발전과 함께 전자소자의 소형화, 고성능화에 대한 요구가 점점 커지고 있다[1-3]. 고성능 장치의 작동 환경은 더욱 까다로워지고 있으며, 더욱 안정적이고 내구성이 뛰어난 패키징 기술이 필요합니다. 현재 집적회로 산업의 급속한 발전과 함께 패키징 기술은 전통적인 2차원 평면 패키징에서 3차원 패키징으로 전환되었습니다. 유리 기판은 뛰어난 전기적, 기계적, 열적 특성으로 인해 점차 떠오르는 고급 포장 재료가 되었습니다. 그 중 TGV는 고밀도, 저손실 수직 상호 연결을 달성할 수 있으며 고밀도 패키징 및 3차원 통합을 실현하는 중요한 기술 수단 중 하나입니다[4].
TGV 기술의 핵심은 비아 가공과 충진에 있습니다. 이 두 단계가 칩 패키징의 안정성과 전기적 성능을 직접적으로 결정하기 때문입니다. 비아 처리 기술은 비아의 크기, 모양 및 처리 효율성에 영향을 미치는 반면, 비아 충진 기술은 상호 연결의 전기적 성능과 기계적 강도를 결정합니다.
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가공 기술을 통한 유리 기판
비아 처리 기술은 TGV가 다층 상호 연결 및 고밀도 패키징을 달성하는 핵심 프로세스입니다. 이는 높은 처리 효율성과 고정밀도를 요구하며, 생성된 비아는 표면 품질이 좋고 수직성과 종횡비가 우수해야 합니다. 주요 비아 가공 기술에는 샌드블래스팅, 전기화학적 방전 가공, 홈 싱킹 및 연삭, 레이저 제거, 레이저 유도 에칭 등이 있습니다.
2.1 샌드블라스팅
샌드블라스팅은 미세한 입자를 고압으로 분사하여 유리 기판을 에칭하여 비아를 형성하는 처리 기술입니다[5]. 고액 혼합물을 노즐을 통해 고속으로 분사하여 유리 기판 표면에 충격을 가하며, 소정의 홀 구조가 형성될 때까지 점차적으로 물질을 에칭 및 제거합니다.
샌드블라스팅은 가공 적응성이 뛰어나며 다양한 크기와 두께의 유리 기판을 처리할 수 있습니다. 가공 유연성이 높고, 다양한 모양과 크기의 비아 가공이 가능하며, 장비 비용이 저렴하고 조작이 간편해 대량 생산에 적합합니다. 그러나 이 방법으로 생산된 TGV 표면은 거칠기가 고르지 못하고 먼지 오염, 재료 낭비, 낮은 처리 효율성 등의 문제도 있습니다.
2.2 전기화학적 방전가공
전기화학적 방전 가공은 전기화학적 가공과 방전 가공의 장점을 결합한 비전통적인 가공 방법으로, 특히 유리와 같이 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 가공하는 데 적합합니다. 기본 원리는 다음과 같습니다. 인가 전압이 작용하면 공구 전극이 스파크 방전을 거쳐 엄청난 에너지를 방출합니다. 공구 전극과 재료 사이에 형성된 작은 틈에서 발생하는 고온 및 고압으로 인해 재료가 녹거나 기화되고 고압 충격에 의해 제거됩니다. 동시에 고온은 화학 반응을 가속화하여 알칼리성 용액에 의한 재료의 화학적 부식을 더욱 심각하게 만들어 물리적, 화학적 효과가 결합된 가공 공정을 완료합니다.
전기화학적 방전 가공은 마이크로 피트, 마이크로 홀, 마이크로 홈 등 절연성 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 표면 미세 구조를 가공하는 데 널리 사용됩니다. 이 방법을 통해 복잡한 미세 구조를 정밀하게 제조하여 고정밀 가공 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 이 방법 역시 빠른 전극 마모, 어려운 공정 제어, 높은 장비 비용, 상대적으로 느린 공정 속도 등 여러 가지 단점을 갖고 있습니다.
2.3 홈 싱킹 및 그라인딩
Groove Sinking and Grinding은 재료(보통 액체 또는 연화된 상태)를 특정 형태의 금형이나 기판의 홈에 증착하고 냉각 또는 응고를 통해 원하는 모양과 구조로 만든 다음 평탄화 및 연삭 처리하는 방법입니다[6]. 그루브 싱킹 및 연삭의 장점은 우수한 전기 절연 성능과 탁월한 표면 품질을 포함하며, 이 공정을 통해 복잡한 3차원 구조물의 제조를 단순화할 수 있습니다. 그러나 고종횡비 구조에서는 불완전 충진, 긴 공정 시간, 열응력 발생 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
2.4 레이저 절제
레이저 절제는 고에너지 레이저 빔을 사용하여 재료를 제거하여 유리 비아를 제조하는 기술입니다. 그 원리는 유리 기판에 고에너지 레이저 빔을 집중시켜 국부적인 영역에 극도로 높은 온도를 발생시켜 물질을 즉시 녹이거나 기화시키고 방출 또는 증발을 통해 제거하는 것입니다[7].
레이저 어블레이션은 가공 정밀도가 높고 유연성이 강하며 기계적 응력이 없고 가공 속도가 빠르지만 돌출, 부스러기, 미세 균열, 화상 등의 결함도 있습니다. 이러한 결함은 다른 재료(예: 금속, 세라믹 또는 복합재)와의 후속 접합 공정 품질에 부정적인 영향을 미쳐 접합 강도 및 내구성 저하를 초래할 수 있습니다.
2.5 레이저 유도 에칭
독일의 LPKF는 레이저 유도 식각을 제안했습니다[8]. 공정 단계는 다음과 같습니다. 먼저 유리 기판을 청소하여 표면에 먼지와 기름이 없는지 확인하고 마스크로 덮어 가공이 필요하지 않은 부분을 보호합니다. 그런 다음 적절한 레이저를 선택하고 매개변수를 설정한 다음 컴퓨터로 제어되는 레이저 빔 위치 지정을 사용하여 유리를 조사하고 구조를 변경합니다. 마지막으로 유리 기판을 화학 에칭 용액에 담가 레이저 처리된 영역을 우선적으로 용해시키고 에칭 시간과 용액 농도를 제어하여 필요한 에칭 깊이와 구조를 달성합니다.
샌드블라스팅, 전기화학적 방전 가공, 홈 싱킹 및 연삭, 레이저 제거와 비교하여 레이저 유도 에칭은 높은 정밀도, 가공 유연성 및 표면 품질 측면에서 상당한 이점을 가지고 있습니다. 레이저 유도 에칭은 레이저 전처리의 정밀도와 화학적 에칭의 선택성을 결합합니다. 이 방법은 고품질 TGV 가공을 달성하고 정밀도, 효율성 및 재료 적용성 측면에서 기존 방법의 단점을 극복할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 가공된 비아의 수직성이 낮다는 문제가 있고, 레이저 변형에 사용되는 장비의 가격이 비싸다는 문제가 있다.
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충진 기술을 통한 유리 기판
TGV 비아 형성 후에는 전기적 상호 연결을 위해 채워져야 합니다. 충진 공정은 고성능 다층 배선 및 고밀도 패키징을 구현하기 위한 핵심 단계로, 주로 금속 전기 도금 충진 및 전도성 페이스트 충진을 포함합니다.
3.1 금속 전기도금 충진
비아를 형성한 후 일반적으로 PVD(물리적 기상 증착) 또는 CVD(화학적 기상 증착)를 통해 금속 시드층을 비아 내부 벽에 증착해야 합니다. 시드층 재료는 일반적으로 구리 또는 니켈이며 구리와 니켈은 전기 도금 공정을 통해 비아에 채워집니다. 전기도금하는 동안 전기장의 작용으로 시드층 표면의 금속 이온이 환원되어 점차적으로 전체 비아를 채웁니다. 이 공정은 상향식 충진 방식을 채택하기 때문에 충진 시 공극 형성을 방지해야 하므로 시간과 비용이 많이 든다. TGV 비아를 반드시 완전히 채울 필요는 없습니다. 측벽을 따라 채워지거나 반폐쇄 구조로 채워질 수 있습니다. 이 채우기 방법을 부분 채우기라고 합니다. 부분 충진 기술은 전기적 성능 측면에서 이미 완전 충진 기술에 가깝고 전기도금 시간과 비용을 최적화할 수 있습니다.
우수한 전기 전도성, 성숙한 공정 흐름 및 효율적인 충전 기능을 갖춘 금속 전기도금 충전 기술은 현재 TGV 비아 충전의 주요 방법이 되었습니다. 이는 상향식 충전 모드가 보이드 생성을 효과적으로 방지하고 비아 구조의 무결성을 보장할 수 있기 때문입니다. 그러나 기존의 Full Filling 방식은 공정 시간이 길고 비용이 많이 드는 한계가 있으며, 높은 전류 밀도에서 기공이나 표면 결함이 발생하기 쉽습니다. 부분 충진 기술은 공정 시간과 비용을 최적화하여 완전 충진에 필적하는 전기적 성능을 달성하고, 은 나노와이어와 같은 신소재 적용과 결합되어 제조 비용과 공정 복잡성을 더욱 줄입니다.
3.2 전도성 페이스트 충진
TGV의 전도성 페이스트 충전은 유리 비아에 전도성 페이스트를 채워 전도성 경로를 형성하는 것을 의미합니다. 전도성 페이스트에는 일반적으로 전도성 입자(예: 은, 구리 등)와 바인더(예: 에폭시 수지 또는 유기 폴리머)가 포함되어 있습니다. 유리 기판에 고정밀 비아를 형성한 후 전도성 페이스트의 접착력을 높이기 위해 먼저 비아 내벽을 표면 처리한 다음 스크린 인쇄, 주입 충전 또는 인쇄 코팅을 통해 전도성 페이스트를 유리 비아에 채웁니다. 비아 내 전도성 페이스트의 균일한 분포를 보장하기 위해 일반적으로 진공 보조 충진 기술을 채택하여 공기 포집을 제거하고 공극 형성을 방지합니다. 전도성 페이스트 충전이 완료된 후 경화 처리가 필요합니다. 일반적인 경화 방법에는 열 경화, 자외선 경화 또는 화학적 경화가 포함됩니다. 적절한 경화 처리를 통해 전도성 페이스트는 비아에 안정적인 전도성 경로를 형성합니다. 그런 다음 비아를 연마 및 세척하여 평평한 비아 표면을 보장하고 후속 패키징 및 통합 요구 사항을 충족합니다.
전도성 페이스트 충진에는 접착성이 있으며, 경화 후 전도성 비아의 열팽창 계수를 기판의 열팽창 계수에 가깝게 조정할 수 있습니다. 그러나 전도성 페이스트의 전기 전도도는 일반적으로 금속 전도체의 전도도보다 낮으며 이는 전자 장치의 성능에 일정한 영향을 미칩니다. 또한 전도성 페이스트로 채워진 비아는 장기간 사용 시 균열이나 박리 등의 신뢰성 문제가 발생할 수 있으며 이러한 결함으로 인해 이 방법의 적용 범위가 제한됩니다.
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요약
처리 기술을 통한 각 유리 기판에는 상당한 장점과 그에 따른 제한 사항이 있습니다.
샌드블라스팅은 공정이 간단하고 장비 비용이 저렴하며 작업이 유연하며 대구경 비아 가공에 적합하며 특히 대량 생산에 유리합니다. 그러나 이 방법은 여전히 균열에 취약하고, 표면 거칠기가 고르지 않으며, 먼지 오염이 심하고, 재료 낭비가 크며, 처리 효율성이 낮은 등의 문제를 안고 있습니다.
전기화학적 방전 가공을 통해 종횡비가 높고 가공 정밀도가 높은 유리 비아를 생산할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 공정이 비교적 복잡하고, 공구 전극 마모가 빠르고, 비용이 높으며, 폐액 처리가 까다롭고, 처리 효율이 낮은 등의 단점이 있다.
홈 싱킹 및 연삭은 높은 가공 정밀도, 우수한 표면 품질, 우수한 전기적 성능 등의 장점을 가지며 복잡한 3차원 구조물의 정밀 제조에 적합합니다. 그러나 고종횡비 구조에서는 불완전 충진, 긴 공정주기, 열응력 발생 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
레이저 어블레이션은 가공 정밀도가 높고 유연성이 강하며 효율성이 높다는 장점이 있지만, 열 영향부가 크기 때문에 열 응력과 미세 균열이 발생하기 쉽고 장비 비용이 높습니다. 동시에 일부 유리 재료는 레이저 흡수율이 낮아 가공 품질이 저하됩니다.
레이저 유도 식각은 고정밀도, 신속한 비아 형성, 무손상 처리 등의 장점을 가지고 있습니다. 이 방법으로 가공된 완제품은 표면 품질이 뛰어나 고종횡비 유리 비아 제조에 적합합니다. 그러나 이 방법은 가공 비용이 높고 가공 장비도 고가이다.
충전 기술을 통한 다양한 유리 기판에도 각각의 장점과 단점이 있습니다.
금속 전기도금 충진 기술은 우수한 전기 전도도, 성숙한 공정 흐름 및 효율적인 충진 능력이라는 특징을 갖고 있으며 TGV 비아 충진의 주요 방법이 되었습니다. 기존의 완전 충전 방식은 오랜 시간 소모와 높은 비용 등의 한계가 있었습니다. 이에 비해 부분 충진 기술은 우수한 전기적 성능과 구조적 무결성을 유지하면서 최적화된 공정과 재료 적용을 통해 공정 복잡성과 비용을 크게 줄입니다.
전도성 페이스트 충전 기술은 공정이 간단하고 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점이 있으며, 3차원 패키징 및 수동 소자 통합에 응용 가능성이 있습니다. 그러나 전기 전도성이 낮고 안정성이 낮으며 기계적 강도가 부족하여 적용이 제한됩니다.