DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-026-01162-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41651804
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Haozhong Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد وتقنيات TSV
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير ظروف التلدين على توزيع الإجهاد المتبقي وسلوك بروز النحاس (Cu) في الفتحات الزجاجية (TGV)، والتي تعتبر حاسمة للتغليف من الجيل التالي بسبب انخفاض خسارة العزل وملاءمتها مع التمدد الحراري. تستخدم الدراسة تقنية النانو إندنتيشن لتحليل تطور الإجهاد المتبقي في الركائز الزجاجية عند درجات حرارة وأوقات تلدين مختلفة، بينما تصف المجهرية القوية الذرية (AFM) التغيرات الشكلية في بروز النحاس. تشير النتائج إلى أنه بينما يقلل التلدين من الإجهاد الانضغاطي المتبقي، يمكن أن يؤدي التلدين الممتد إلى إجهاد شد متبقي، مما يؤدي إلى تشقق الزجاج. بالإضافة إلى ذلك، يزداد ارتفاع بروز النحاس مع وقت التلدين، على الرغم من أن معدل النمو يتناقص.
تؤكد الاستنتاجات المستخلصة على أن ظروف التلدين المثلى ضرورية لتقليل تراكم الإجهاد في TGV. على وجه التحديد، يجب أن يقتصر التلدين عند 300 درجة مئوية على 180 ساعة وعند 350 درجة مئوية على 4 ساعات لمنع تراكم الإجهاد السريع. الحالة المثلى الموصى بها هي 350 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة إلى ساعة واحدة، مما يوازن بين حالات الإجهاد المنخفض مع تقليل وقت التلدين مقارنة بـ 300 درجة مئوية. يظهر نموذج معدل الزحف المحدد للنحاس خطأ جذري متوسط (RMSE) قدره 1.143، ويقترح وجود علاقة خطية بين الإجهاد المتبقي في الزجاج وارتفاع بروز النحاس. تسهم هذه الرؤى في تقييم الموثوقية وتصميم التحسين الحراري لـ TGVs.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة التقدم في تقنيات الدمج ثلاثي الأبعاد (3D) وتقنيات التغليف، والتي تعتبر ضرورية لتحقيق كثافة أعلى وأجهزة إلكترونية أصغر. بينما تم اعتماد تقنية الفتحات عبر السيليكون (TSV) على نطاق واسع، فإن السماحية العالية لها (ε ≈ 11.9) تؤدي إلى فقدان كبير في نقل الإشارة، خاصة في التطبيقات عالية التردد. بالمقابل، تقدم تقنية الفتحات عبر الزجاج (TGV) بديلاً واعدًا بسبب الخصائص المفيدة للزجاج، مثل الثابت العازل المنخفض (ε ≈ 5.1) والمقاومة العالية، مما يجعلها مناسبة لنقل الإشارات عالية التردد والدمج غير المتجانس. ومع ذلك، تواجه TGV تحديات موثوقية، خاصة فيما يتعلق بالتوصيل الحراري والتشقق الناتج عن الإجهاد.
تسلط الورقة الضوء على أن هياكل TGV عرضة للتشققات الناتجة عن الإجهاد الحراري بسبب عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) بين النحاس (Cu) والزجاج. يمكن أن تتطور التشققات الشعاعية والدائرية تحت الأحمال الحرارية، مما يتطلب فهمًا أعمق لتطور الإجهاد في TGV. يشير المؤلفون إلى أن الطرق التقليدية لقياس الإجهاد المتبقي، مثل حيود الأشعة السينية وقياس رامان المجهري، غير مناسبة للزجاج، وهو مادة غير متبلورة. بدلاً من ذلك، يقترحون استخدام النانو إندنتيشن لقياس الإجهاد وتحليل العناصر المحدودة (FEA) للتحقيق في توزيع الإجهاد. أظهرت الدراسات السابقة أن الإجهاد الحراري يتركز بشكل أساسي عند واجهة النحاس والزجاج، مما يؤثر على كل من الزجاج والحشوة المعدنية. تهدف الورقة إلى سد الفجوة في البحث المنهجي حول سلوك بروز النحاس في هياكل TGV تحت ظروف تلدين متغيرة، مما يوفر رؤى حول تحليل الإجهاد المتبقي وتقييم الموثوقية تحت الحمل الحراري.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار الدراسة. تشمل المنهجية التقنيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الطرق الإحصائية، البروتوكولات التجريبية، وأي أدوات حسابية مستخدمة.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم معايير اختيار العينات، الضوابط المطبقة، والإعداد التجريبي العام. تعتبر هذه المقاربة الصارمة ضرورية للتحقق من صحة النتائج وضمان أن تكون النتائج موثوقة وقابلة للتطبيق في السياق الأوسع للبحث. بشكل عام، تعتبر الوضوح والدقة في هذا القسم حاسمة لتمكين الباحثين الآخرين من تكرار الدراسة والبناء على نتائجها.
مناقشة
تفصل قسم المناقشة في ورقة البحث إعداد وتوصيف الفتحات الزجاجية (TGVs) واستجابتها لمختلف علاجات التلدين. تم تصنيع عينات TGV باستخدام طريقة تعديل مستحثة بالليزر وتم ملؤها بالنحاس (Cu)، تلتها الطلاء الكهربائي لطبقات إعادة التوزيع (RDL). أظهرت TGVs شكلًا شبه منحرف بقطر 70 ميكرومتر في الأعلى و18.6 ميكرومتر في الأسفل، وارتفاع 283.6 ميكرومتر. كشفت علاجات التلدين، التي أجريت عند درجات حرارة 300 درجة مئوية، 350 درجة مئوية، و400 درجة مئوية، أن درجات الحرارة الأعلى تسرع من بدء التشقق وتزيد من كثافة التشققات في عينات TGV. من الجدير بالذكر أن كثافة التشققات زادت بشكل كبير مع زيادة وقت التلدين، مع أعلى المعدلات التي لوحظت عند 400 درجة مئوية.
تم استخدام تجارب النانو إندنتيشن لقياس الإجهاد المتبقي في الركيزة الزجاجية المحيطة بـ TGVs، مما كشف عن انتقال من الإجهاد الانضغاطي إلى الإجهاد الشدي مع فترات تلدين ممتدة. أسست الدراسة علاقة بين الإجهاد المتبقي وارتفاع بروز النحاس، مما يشير إلى أن سلوك البروز تأثر بحالة الإجهاد الداخلية. تشير النتائج إلى أن ظروف التلدين المثلى لـ TGVs هي 350 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة إلى ساعة واحدة، مما يقلل من الإجهاد المتبقي مع تعزيز بروز النحاس. توفر النتائج رؤى قيمة حول إدارة الحرارة لهياكل TGV، مما يبرز أهمية التحكم في الإجهاد المتبقي أثناء عملية التصنيع لمنع الفشل المبكر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-026-01162-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41651804
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Haozhong Wang et al.
Primary Topic: 3D IC and TSV technologies
Overview
The research investigates the impact of annealing conditions on the residual stress distribution and copper (Cu) protrusion behavior in through glass vias (TGV), which are critical for next-generation packaging due to their low dielectric loss and compatibility with thermal expansion. The study employs nanoindentation to analyze residual stress evolution in glass substrates at varying annealing temperatures and durations, while atomic force microscopy (AFM) characterizes the morphological changes in Cu protrusions. Findings indicate that while annealing reduces residual compressive stress, extended annealing can induce residual tensile stress, leading to glass cracking. Additionally, Cu protrusion height increases with annealing time, albeit at a decreasing growth rate.
The conclusions drawn emphasize that optimal annealing conditions are crucial for minimizing stress accumulation in TGV. Specifically, annealing at 300 °C should be limited to 180 hours and at 350 °C to 4 hours to prevent rapid stress buildup. The recommended optimal condition is 350 °C for 45 minutes to 1 hour, which balances low stress states with reduced annealing time compared to 300 °C. The established creep rate model for Cu shows a root mean square error (RMSE) of 1.143, and a linear correlation between residual stress in the glass and Cu protrusion height is proposed. These insights contribute to the reliability assessment and thermal optimization design of TGVs.
Introduction
The introduction of the paper discusses the advancements in three-dimensional (3D) integration technologies and packaging techniques, which are essential for achieving higher density and smaller electronic devices. While through-silicon via (TSV) interposer technology has been widely adopted, its high permittivity (ε ≈ 11.9) results in significant signal transmission loss, particularly in high-frequency applications. In contrast, through-glass via (TGV) interposer technology offers a promising alternative due to the advantageous properties of glass, such as a lower dielectric constant (ε ≈ 5.1) and high resistivity, making it suitable for high-frequency signal transmission and heterogeneous integration. However, TGV faces reliability challenges, particularly concerning thermal conductivity and stress-induced cracking.
The paper highlights that TGV structures are prone to thermal stress-induced cracks due to the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between copper (Cu) and glass. Radial and circumferential cracks can develop under thermal loads, necessitating a deeper understanding of stress evolution in TGV. The authors note that conventional methods for measuring residual stress, such as X-ray diffraction and micro-Raman spectroscopy, are unsuitable for glass, an amorphous material. Instead, they propose using nanoindentation for stress measurement and finite element analysis (FEA) to investigate stress distribution. Previous studies have indicated that thermal stress primarily concentrates at the Cu-glass interface, affecting both the glass and the metal filler. The paper aims to fill the gap in systematic research on Cu protrusion behavior in TGV structures under varying annealing conditions, providing insights into residual stress analysis and reliability assessment under thermal loading.
Methods
The “Materials and Methods” section of the research paper outlines the experimental design and procedures employed to investigate the research question. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the study. The methodology encompasses the techniques applied for data collection and analysis, such as statistical methods, experimental protocols, and any computational tools utilized.
Additionally, the section may describe the criteria for sample selection, controls implemented, and the overall experimental setup. This rigorous approach is essential for validating the findings and ensuring that the results are both reliable and applicable to the broader context of the research. Overall, the clarity and precision in this section are critical for enabling other researchers to replicate the study and build upon its findings.
Discussion
The discussion section of the research paper details the preparation and characterization of Through Glass Vias (TGVs) and their response to various annealing treatments. TGV samples were fabricated using a laser-induced modification method and filled with copper (Cu), followed by electroplating of Redistribution Layers (RDL). The TGVs exhibited a trapezoidal shape with a diameter of 70 μm at the top and 18.6 μm at the bottom, and a height of 283.6 μm. The annealing treatments, conducted at temperatures of 300 °C, 350 °C, and 400 °C, revealed that higher temperatures accelerated crack initiation and increased crack density in the TGV samples. Notably, the crack density increased significantly with prolonged annealing time, with the highest rates observed at 400 °C.
Nanoindentation experiments were employed to measure residual stress in the glass substrate surrounding the TGVs, revealing a transition from compressive to tensile stress with extended annealing periods. The study established a correlation between the residual stress and Cu protrusion height, indicating that the protrusion behavior was influenced by the internal stress state. The findings suggest that optimal annealing conditions for TGVs are 350 °C for 45 minutes to 1 hour, which minimizes residual stress while enhancing Cu protrusion. The results provide valuable insights into the thermal management of TGV structures, emphasizing the importance of controlling residual stress during the fabrication process to prevent premature failure.