Der Entwicklungstrend von Glassubstraten

Die Nachfrage nach leistungsstarken, nachhaltigen Rechen- und Netzwerkwafern im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) hat zweifellos die Investitionen in Forschung und Entwicklung erhöht und das Innovationstempo in der Halbleitertechnologie beschleunigt. Da sich das Mooresche Gesetz auf Chipebene verlangsamt, möchte man so viele Chiplets (kleine Chips) wie möglich in ein ASIC-Gehäuse (anwendungsspezifischer integrierter Chip) packen, um die Vorteile des Mooreschen Gesetzes auf Gehäuseebene nutzen zu können.

Ein ASIC-Paket, das mehrere Chiplets beherbergt, besteht typischerweise aus einem organischen Substrat. Es besteht aus Harz (hauptsächlich glasfaserverstärktes Epoxidharzlaminat) oder Kunststoff. Abhängig von der Verpackungstechnologie werden die Chips entweder direkt auf dem Substrat montiert oder es wird eine zusätzliche Silizium-Zwischenschicht zwischen den Chips hinzugefügt, um Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen den Chiplets zu erreichen. Brücken werden manchmal anstelle einer Zwischenschicht in das Substrat eingebettet, um Hochgeschwindigkeitsverbindungen bereitzustellen.

Das Problem bei organischen Substraten besteht darin, dass sie insbesondere bei großen Gehäusen mit hoher Chipdichte zum Verziehen neigen. Dadurch wird die Anzahl der Chips im Paket begrenzt. Und hier kann das Glaskernsubstrat (GCS, kurz für „Glassubstrat“) eine entscheidende Rolle spielen! Es wird erwartet, dass es eine Schlüsselrolle in der nächsten Generation fortschrittlicher Chipverpackungen spielen wird.

Warum Glassubstrat?

Glas als Material wird umfassend untersucht und in m integriert

Diese Entwicklung stellt eine bedeutende Entwicklung bei der Auswahl fortschrittlicher Verpackungsmaterialien dar. Glas hat gegenüber organischen und keramischen Materialien mehrere Vorteile.

Im Gegensatz zu organischen Substraten, die seit vielen Jahren die vorherrschende Technologie sind, weist Glas eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Eigenschaften auf. Das Glassubstrat wird zusammen mit der Verdrahtungsschicht oben und unten und anderen Hilfsmaterialien gemeinsam aus dem Substrat hergestellt, wodurch die vielen Mängel des aktuellen organischen Substrats perfekt behoben werden können. Darüber hinaus bietet das Glassubstrat den Ingenieuren eine größere Designflexibilität und ermöglicht die Einbettung von Induktivitäten und Kondensatoren in das Glas für bessere Stromversorgungslösungen und einen geringeren Stromverbrauch.

Die Vorteile des Glassubstrats sind wie folgt:

* Das Glassubstrat kann für eine feinere Musterung sehr flach gemacht werden, wodurch die Musterverzerrung um 50 % reduziert und die Verdrahtungsdichte um das Zehnfache erhöht werden kann. Bei der Lithographie wird das gesamte Substrat gleichmäßig belichtet und so Defekte reduziert.

* Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases ähnelt dem des oben genannten Siliziumchips, wodurch die thermische Belastung verringert werden kann.

* Verformt sich nicht und kann Chips mit höherer Dichte in einem einzigen Paket verarbeiten. Der erste Prototyp kann Chipdichten verarbeiten, die um 50 Prozent höher sind als bei organischen Substraten.

Optische Verbindungen können nahtlos integriert werden, was zu effizienteren Co-Packaged-Optiken führt.

* Bei diesen Substraten handelt es sich in der Regel um rechteckige Wafer, wodurch sich die Anzahl der Chips pro Wafer erhöht, die Produktion erhöht und die Kosten gesenkt werden.

Glassubstrate haben das Potenzial, gehäuseinterne organische Substrate, Silizium-Zwischenschichten und andere eingebettete Hochgeschwindigkeitsverbindungsgeräte zu ersetzen.

Allerdings gibt es bei Glassubstraten einige Herausforderungen:

* Das Glas ist spröde und zerbrechlich und kann während des Herstellungsprozesses leicht zerbrechen. Diese Zerbrechlichkeit erfordert eine sorgfältige Handhabung und spezielle Ausrüstung, um Schäden während der Herstellung zu verhindern. Dies ist eine Schwäche für Produkte, bei denen ein hohes Risiko physischer Stöße besteht, wie z. B. Mobiltelefone, Laptops und Automobilausrüstung.

Die Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Verbindung zwischen dem Glassubstrat und anderen in Halbleiterstapeln verwendeten Materialien wie Metallen und Dielektrika ist eine Herausforderung und es ist schwierig, die Durchgangslöcher der Leitungen gleichmäßig zu füllen. Unterschiede in den Materialeigenschaften können zu Spannungen an der Grenzfläche führen, die zu Delaminierung oder anderen Zuverlässigkeitsproblemen führen können. Obwohl der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas dem von Silizium ähnelt, unterscheidet er sich stark von dem Material, das für Leiterplatten/Bumps verwendet wird. Diese Nichtübereinstimmung kann während des Temperaturzyklus zu thermischem Stress führen und die Zuverlässigkeit und Leistung beeinträchtigen.

* Zu transparent, was die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt, und die Ausbeute ist zu gering, unzureichende Kapazität.

* Das Fehlen etablierter Industriestandards für Glassubstrate führt zu Leistungsunterschieden zwischen verschiedenen Anbietern. Da es sich um eine neue Technologie handelt, liegen nicht genügend Langzeitzuverlässigkeitsdaten vor. Es sind beschleunigte Lebensdauertests erforderlich, um Vertrauen in die Verwendung dieser Pakete für hochzuverlässige Anwendungen zu gewinnen.

Trotz dieser Nachteile sind Glassubstrate vielversprechend für High-Performance-Computing (HPC), KI und DC-Netzwerk-Silizium, bei dem der Schwerpunkt darauf liegt, so viel Durchsatz wie möglich in einem ASIC-Paket zu kapseln, um die Gesamtgröße, Leistung und Effizienz zu verbessern das System.

Lee Chang-min, Research-Analyst bei KB Securities, prognostiziert: „Mit dem exponentiellen Wachstum der KI-Datenverarbeitung werden organische (Kunststoff-)Materialsubstrate bis 2030 knapp. Glassubstrate werden zunächst für hochwertige Produkte wie KI verwendet.“ '

Die Quelle wies auch darauf hin, dass die Glass Through Hole (TGV)-Technologie noch nicht ausgereift genug sei, um für die Bearbeitung von Glassubstraten eingesetzt zu werden, und aufgrund der erforderlichen Präzision weiterhin eine schwierige Herausforderung darstelle. Glassubstrate befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium.

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KI-Chips schaffen Nachfrage nach Glassubstraten

Glassubstrate gelten als Schlüsselmaterial für die nächste Generation fortschrittlicher Halbleiterverpackungstechnologien und sind notwendig, um das explosive Wachstum von KI-Chips zu unterstützen.

Die Erweiterung der CoWoS-Advanced-Packaging-Kapazität von TSMC konnte kaum mit der schnell wachsenden Nachfrage nach KI-Chips Schritt halten, was Halbleiterunternehmen dazu veranlasste, nach Alternativen zu suchen. Branchenquellen zufolge ist eine fortschrittliche Verpackung mit Glassubstraten eine mögliche Lösung.

Derzeit entwickeln Halbleiterunternehmen zwei Glassubstrate für fortschrittliche Verpackungen. Eine davon soll die Silizium-Zwischenschicht ersetzen und Glas als Plattform für die Chip-Integration nutzen. Quellen zufolge bewegen sich TSMC und Innolux in diese Richtung.

Im Kern des ABF-Substrats wird ein weiteres Glassubstrat verwendet, das die kupferkaschierte Platte (CCL) ersetzt. Quellen zufolge entwickeln Intel und die österreichische AT&S diesen Typ gemeinsam.

Intel verfolgte bei der Entwicklung fortschrittlicher Pakete zunächst einen anderen Ansatz. Das Unternehmen möchte seine Co-Packaged-Optics-Technologie (CPO) nutzen, die Glassubstrate verwendet, um die Signalübertragung zu verbessern.

Den Quellen zufolge wird das Glas hauptsächlich in Substraten mit einer Größe von 110 mm x 110 mm und größer verwendet, um den Anforderungen von Endgeräteanwendungen wie CPU und GPU für Server, Schalt-ICs und HF-Modulen gerecht zu werden.

Glassubstrat ist der Schlüssel zu FOPLP

Glassubstrate sind zu einem wichtigen strategischen Element des Fan-out Panel Level Packaging (FOPLP) geworden, einer Technologie, die von TSMC und verschiedenen Back-End-Werken entwickelt wird. Aus diesem Grund entschied sich TSMC laut Branchenangaben zunächst für eine Glasscheibengröße von 515 mm x 510 mm und soll sich in jüngerer Zeit für eine größere Größe entschieden haben, die von der führenden Back-End-Fabrik ASE übernommen wurde.

FOPLP ist eine Erweiterung der Fan-Out-Wafer-Level-Packaging-Technologie (FOWLP). Da FOPLP ein größeres Panel verwendet, kann es ein Vielfaches an Chips verarbeiten wie 300-mm-Wafer.

Quellen zufolge verwenden FOPLP-Entwickler eine Vielzahl von Panelgrößen, hauptsächlich 300 mm x 300 mm, 515 mm x 510 mm, 600 mm x 600 mm und 620 mm x 750 mm.

Der Display-Panel-Hersteller Innolux ist in den Halbleiterbereich eingestiegen und entwickelt FOPLP mit der größten Panel-Größe aller vergleichbaren Hersteller – 620 mm x 750 mm.

Da die Bedeutung von Glassubstraten in der modernen Chipverpackung zunimmt, nimmt der Wettbewerb zwischen den Herstellern zu, was Innovationen und Investitionen in diese vielversprechende Technologie vorantreibt.

Preiserhöhung für Glassubstratmaterial

FOPLP-Panels können PCB- oder Glassubstrate sein, ähnlich denen, die zur Herstellung von LCD-Bildschirmen verwendet werden.

Fachleute aus der Glasindustrie weisen darauf hin, dass das Glassubstrat von FOPLP- und LCD-Panels im Wesentlichen das gleiche ist. Während die Reinheit von LCD-Glas bereits hoch ist, sind Halbleiteranwendungen noch anspruchsvoller. Die Glaslieferanten werden sich weiter verbessern, um den Halbleiteranforderungen gerecht zu werden.