Skalierung der Through-Glass-Via-Metallisierung im Panel-Level-Packaging

Das Advanced Semiconductor Packaging stößt an physikalische und wirtschaftliche Grenzen, da Prozessoren für Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz Interposer erfordern, die über die Abmessungen herkömmlicher 300-mm-Siliziumwafer hinausgehen. Das Panel-Level-Packaging löst diesen Engpass durch den Übergang zu großflächigen rechteckigen Glas- oder organischen Substraten. Die Metallisierung von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis über ausgedehnte Oberflächen hinweg führt jedoch zu schwerwiegenden Beschichtungsdefekten wie Überhängen, Hohlräumen und unzureichender Haftung zwischen Metall und Dielektrikum. VON ARDENNE hat das Portfolio für Halbleiter-Vakuumbeschichtungsanlagen durch den Einsatz von Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern, bekannt als HiPIMS, auf der etablierten modularen horizontalen Beschichtungsplattform HISS auf das Panel-Level-Packaging ausgeweitet.

Funktionsprinzip des ionisierten Sputterns in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis
Die zentrale verfahrenstechnische Herausforderung bei der Metallisierung im Advanced Packaging besteht in der Beschichtung von Through-Glass-Via-Mikrostrukturen und dichten Umverdrahtungsschichten ohne Ausdünnung der Seitenwände oder Lochbläschen. Das konventionelle Gleichstrom-Magnetronsputtern erzeugt einen Teilchenstrom, der überwiegend aus neutralen Atomen besteht. Diese bewegen sich auf kosinusförmig verteilten Bahnen, lagern sich übermäßig an den Via-Öffnungen ab und unterversorgen gleichzeitig die Seitenwände sowie den Bodenbereich. HiPIMS verändert diesen physikalischen Ablauf durch unipolare Impulse mit hoher Spitzenleistung bei niedrigen Tastgraden.

Diese gepulste elektrische Entladung erzeugt ein hochdichtes Plasma mit Dichten von über 10 hoch 18 Elektronen pro Kubikmeter und ionisiert einen erheblichen Anteil der abgestäubten Metallatome. Unter Anlegen einer Substrat-Vorspannung werden die ionisierten Targetatome senkrecht in die tiefen Hohlräume der Durchkontaktierungen beschleunigt. In Through-Glass-Via-Bohrungen scheidet dieser gerichtete Ionenstrom konforme, dichte und haftfeste Barriere- sowie Kupfer-Keimschichten ab, wodurch das vorzeitige Zuwachsen der Öffnungen und Überhangdefekte der nicht-ionisierten physikalischen Gasphasenabscheidung vermieden werden.

Substratübergang vom Wafer zur großflächigen horizontalen Panel-Handhabung
Die Skalierung der physikalischen Gasphasenabscheidung von runden 300-mm-Siliziumwafern auf rechteckige Glaspaneele erfordert eine gleichmäßige Plasmaverteilung und mechanische Stabilität über deutlich größere Flächen hinweg. Die Integration von HiPIMS in die modulare horizontale HISS-Plattform schafft einen industriellen Fertigungsweg, der Schichtgleichmäßigkeit und Gefügedichte über die gesamten Panelabmessungen gewährleistet.

Dr. Holger Pröhl, Leiter für Technologie und Anwendung bei VON ARDENNE, erklärte, dass HiPIMS die nachgelagerten Fertigungskosten senkt, da eine verbesserte Schichthaftung und dichtere Schichten den Nacharbeitsaufwand verringern, die Lebensdauer verlängern und in bestimmten Prozessabläufen Zwischenschritte zur Oberflächenkonditionierung überflüssig machen. Durch die Vermeidung von Schichtablösungen zwischen Dünnschichten und glatten Glassubstraten können Hersteller die Fertigungsausbeute in anspruchsvollen Segmenten der Halbleiterverpackung steigern.

Durchsatz und wirtschaftliche Einflussfaktoren in der heterogenen Integration
Der Wechsel von runden 300-mm-Formaten zu großen rechteckigen Paneelen maximiert die nutzbare Substratfläche und verringert die Verluste durch Randausschluss, die bei kreisförmigen Wafergeometrien bei der Fertigung großflächiger Multi-Chiplet-Module auftreten. Diese Flächenausnutzung ist ausschlaggebend, um hohe Produktionsvolumina bei fortschrittlichen Aufbau- und Verbindungstechniken einschließlich der Strukturierung von Umverdrahtungsschichten und dem dreidimensionalen Stapeln zu erreichen.

Marktuntersuchungen der Yole Group belegen, dass das Panel-Level-Packaging im Jahr 2025 einen Umsatz von über 300 Millionen US-Dollar erzielte und in den folgenden fünf Jahren voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von über 40 Prozent wachsen wird. Ein deutlicher Marktschub in Richtung der Jahre 2029 und 2030 wird durch den Einstieg führender Auftragsfertiger wie TSMC sowie die verstärkte Nutzung hochdichter Gehäusearchitekturen für Hardware im Bereich der künstlichen Intelligenz und des Hochleistungsrechnens erwartet, wie aus dem Bericht der Yole Group vom März 2026 mit dem Titel „Panel Level Packaging 2026“ hervorgeht.

Guido Ueberreiter, Vizepräsident für Halbleiterstrategie bei VON ARDENNE, merkte an, dass eine zuverlässige Substrathandhabung in Verbindung mit präziser Abscheidungstechnologie eine wesentliche Voraussetzung für das Panel-Level-Packaging darstellt, da sie die erforderliche Prozessstabilität bietet, um bewährte Wafer-Rezepturen auf großformatige Paneele zu übertragen und dabei Schichteigenschaften im Subnanometerbereich beizubehalten.

VON ARDENNE präsentierte diese Beschichtungstechnologie auf der Fachmesse SEMICON West 2026, die vom 13. bis 15. Oktober im Moscone Center in San Francisco stattfand.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt beschreibt detaillierte technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren.

Bei der Metallisierung von Through-Silicon-Vias und Through-Glass-Vias gelten das standardmäßige Gleichstrom-PVD-Verfahren, die Atomlagenabscheidung sowie die chemische Gasphasenabscheidung als technologische Vergleichsmaßstäbe für Barriere- und Keimschichten. Während die Atomlagenabscheidung eine Kantenbedeckung von nahezu 100 Prozent in Hohlräumen mit Aspektverhältnissen von über 10 zu 1 oder 20 zu 1 erzielt, führen ihre chemischen Ausgangsstoffe zu geringen Abscheideraten von häufig unter 0,1 Nanometern pro Sekunde, was das Verfahren für die Panelfertigung mit hohem Durchsatz wirtschaftlich unrentabel macht. Umgekehrt bietet das konventionelle Gleichstrom-Magnetronsputtern zwar hohe Abscheideraten, weist jedoch bei Vias mit Aspektverhältnissen über 5 zu 1 eine unzureichende Bodenbedeckung auf, was asymmetrische Keimschichten zur Folge hat und die nachfolgende galvanische Verkupferung beeinträchtigt.

HiPIMS fungiert als verfahrenstechnischer Mittelweg, indem es 50 bis 90 Prozent der abgestäubten Atome ionisiert. Dadurch werden Seitenwand- und Bodenbedeckungen erreicht, die mit chemischen Verfahren vergleichbar sind, während die hohe Schichtreinheit, der niedrige spezifische elektrische Widerstand und der hohe Durchsatz der physikalischen Gasphasenabscheidung erhalten bleiben. Bei der Bearbeitung von Through-Glass-Vias weisen glatte Glasoberflächen in der Regel eine geringe mechanische Verankerung mit gesputtertem Kupfer auf, was zu Haftfestigkeiten unter 5 Megapascal und Schichtdelaminationen bei thermischen Wechselbelastungen führt. Die hohe kinetische Energie der Ionen bei HiPIMS erzeugt eine atomare Durchmischungszone an der Grenzfläche, was die Haftfestigkeit steigert und Mikrorissbildungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen Kupfer und dem Glaskern verhindert.

Bearbeitet von Sucithra Mani, Redakteurin bei Induportals – angepasst durch KI.

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