A tendência de desenvolvimento do substrato de vidro

A procura de wafers de computação e de rede sustentáveis ​​e de alto desempenho em inteligência artificial (IA) sem dúvida aumentou o investimento em I&D e acelerou o ritmo da inovação na tecnologia de semicondutores. Com a Lei de Moore desacelerando no nível do chip, as pessoas querem empacotar o máximo possível de Chiplet (chip pequeno) dentro de um pacote ASIC (chip integrado de aplicação específica), a fim de obter as vantagens da Lei de Moore no nível do pacote.

Um pacote ASIC que abriga vários Chiplet normalmente consiste em um substrato orgânico. É feito de resina (principalmente laminado de resina epóxi reforçada com fibra de vidro) ou plástico. Dependendo da tecnologia de embalagem, os chips são montados diretamente no substrato ou uma camada intermediária de silício adicional é adicionada entre os chips para obter conexões de alta velocidade entre os Chiplets. Às vezes, as pontes são incorporadas dentro do substrato em vez de uma camada intermediária para fornecer conectividade de alta velocidade.

O problema com substratos orgânicos é que eles tendem a deformar, especialmente em embalagens grandes com alta densidade de cavacos. Isso limita o número de chips no pacote. E é aqui que o substrato com núcleo de vidro (GCS, abreviação de 'Substrato de vidro') pode ser uma virada de jogo! Espera-se que desempenhe um papel fundamental na próxima geração de embalagens avançadas de chips.

Por que substrato de vidro?

O vidro como material é amplamente estudado e integrado em m

diversas indústrias de semicondutores, e esta tendência representa um desenvolvimento significativo na seleção de materiais de embalagem avançados. O vidro tem diversas vantagens sobre os materiais orgânicos e cerâmicos.

Ao contrário dos substratos orgânicos, que têm sido a tecnologia dominante durante muitos anos, o vidro possui excelente estabilidade dimensional, condutividade térmica e propriedades elétricas. O substrato de vidro, combinado com a camada de fiação acima e abaixo e outros materiais auxiliares, é feito em conjunto do substrato, o que pode resolver perfeitamente as muitas deficiências do substrato orgânico atual. Além disso, o substrato de vidro proporciona aos engenheiros maior flexibilidade de projeto, permitindo que indutores e capacitores sejam incorporados ao vidro para obter melhores soluções de fonte de alimentação e menor consumo de energia.

As vantagens do substrato de vidro são as seguintes:

* O substrato de vidro pode ser muito plano para um padrão mais fino, o que pode reduzir a distorção do padrão em 50% e maior (10 vezes) a densidade da fiação. Durante a litografia, todo o substrato é exposto uniformemente, reduzindo assim os defeitos.

* O coeficiente de expansão térmica do vidro é semelhante ao do chip de silício acima, o que pode reduzir o estresse térmico.

* Não deforma e pode lidar com chips de maior densidade em um único pacote. O protótipo inicial pode lidar com densidades de cavacos 50% maiores que os substratos orgânicos.

As interconexões ópticas podem ser integradas perfeitamente, resultando em pacotes ópticos mais eficientes.

*Esses substratos são geralmente wafers retangulares, aumentando o número de chips por wafer, aumentando a produção e reduzindo custos.

Os substratos de vidro têm o potencial de substituir substratos orgânicos em embalagens, camadas intermediárias de silício e outros dispositivos de interconexão incorporados de alta velocidade.

No entanto, existem alguns desafios com substratos de vidro:

* O vidro é quebradiço e frágil, fácil de quebrar durante o processo de fabricação. Esta fragilidade requer um manuseio cuidadoso e equipamentos especiais para evitar danos durante a fabricação. Este é um ponto fraco para produtos que enfrentam um elevado risco de impacto físico, como telemóveis, computadores portáteis e equipamentos automóveis.

Garantir a ligação adequada entre o substrato de vidro e outros materiais usados ​​em pilhas de semicondutores, como metais e dielétricos, é desafiador e difícil de preencher uniformemente os orifícios das linhas. Diferenças nas propriedades do material podem causar tensão na interface, o que pode causar delaminação ou outros problemas de confiabilidade. Embora o coeficiente de expansão térmica do vidro seja semelhante ao do silício, ele é muito diferente do material usado para placas/saliências PCB. Essa incompatibilidade pode criar estresse térmico durante o ciclo de temperatura, afetando a confiabilidade e o desempenho.

* Muito transparente, o que afetará a precisão da medição, e o rendimento é muito baixo, capacidade insuficiente.

* A falta de padrões industriais estabelecidos para substratos de vidro leva a diferenças de desempenho entre diferentes fornecedores. Por se tratar de uma tecnologia nova, não há dados suficientes de confiabilidade a longo prazo. São necessários testes de vida mais acelerados para ganhar confiança no uso desses pacotes para aplicações de alta confiabilidade.

Apesar dessas desvantagens, os substratos de vidro são promissores para computação de alto desempenho (HPC), IA e silício de rede DC, onde o foco está em encapsular o máximo de rendimento possível dentro de um pacote ASIC para melhorar a escala geral, o desempenho e a eficiência de o sistema.

Lee Chang-min, analista de pesquisa da KB Securities, prevê: “Com o crescimento exponencial do processamento de dados de IA, os substratos de materiais orgânicos (plásticos) se tornarão escassos até 2030. Os substratos de vidro são inicialmente aplicados em produtos de alta qualidade, como IA. aceleradores e cpus de servidores, e espera-se que se expanda gradualmente para uma gama mais ampla de áreas de produtos.'

A fonte destacou ainda que a tecnologia glass through hole (TGV) ainda não está madura o suficiente para ser utilizada no processamento de substratos de vidro e continua a ser um desafio difícil devido ao nível de precisão exigido. Os substratos de vidro ainda estão nos estágios iniciais de desenvolvimento.

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Chips de IA criam demanda por substratos de vidro

Os substratos de vidro são reconhecidos como um material chave para a próxima geração de tecnologias avançadas de embalagens de semicondutores e são necessários para apoiar o crescimento explosivo dos chips de IA.

A expansão da capacidade de empacotamento avançado CoWoS da TSMC mal acompanhou o rápido crescimento da demanda por chips de IA, levando as empresas de semicondutores a buscar alternativas. De acordo com fontes da indústria, embalagens avançadas utilizando substratos de vidro são uma solução potencial.

Atualmente, as empresas de semicondutores estão desenvolvendo dois substratos de vidro para embalagens avançadas. Um deles foi projetado para substituir a camada intermediária de silício, usando o vidro como plataforma para integração de chips. Fontes dizem que a TSMC e a Innolux estão caminhando nessa direção.

Outro substrato de vidro será utilizado no núcleo do substrato ABF, substituindo a placa revestida de cobre (CCL). Fontes dizem que a Intel e a AT&S da Áustria estão desenvolvendo este tipo em conjunto.

A Intel inicialmente adotou uma abordagem diferente para desenvolver pacotes avançados. A empresa busca aproveitar sua tecnologia Co-packaged óptica (CPO), que utiliza substratos de vidro para melhorar a transmissão do sinal.

De acordo com as fontes, o vidro será usado principalmente em substratos de 110 mm x 110 mm e maiores para atender às necessidades de aplicações de dispositivos finais, como CPU e GPU para servidores, circuitos integrados de comutação e módulos de RF.

Substrato de vidro é a chave para FOPLP

Os substratos de vidro tornaram-se um elemento estratégico chave da embalagem fan-out panel level (FOPLP), uma tecnologia que está sendo desenvolvida pela TSMC e várias fábricas de back-end. Por causa disso, a TSMC escolheu inicialmente um tamanho de painel de vidro de 515 mm x 510 mm, de acordo com fontes da indústria, e mais recentemente teria optado por um tamanho maior adotado pela principal fábrica de back-end ASE.

FOPLP é uma extensão da tecnologia fan-out wafer-level packaging (FOWLP). Como o FOPLP usa um painel maior, ele pode lidar com várias vezes mais chips do que wafers de 300 mm.

Segundo fontes, os desenvolvedores do FOPLP estão usando uma variedade de tamanhos de painel, incluindo principalmente 300 mm x 300 mm, 515 mm x 510 mm, 600 mm x 600 mm e 620 mm x 750 mm.

O fabricante de painéis de exibição Innolux entrou no espaço de semicondutores e está desenvolvendo FOPLP com o maior tamanho de painel de qualquer fabricante semelhante - 620 mm x 750 mm.

À medida que aumenta a importância dos substratos de vidro nas embalagens avançadas de chips, a concorrência entre os fabricantes aumenta, impulsionando a inovação e o investimento nesta tecnologia promissora.

Aumento de preço do material de substrato de vidro

Os painéis FOPLP podem ser substratos de PCB ou vidro, semelhantes aos usados ​​para fabricar telas LCD.

Pessoas da indústria de fabricação de vidro apontam que o substrato de vidro dos painéis FOPLP e LCD é essencialmente o mesmo. Embora a pureza do vidro LCD já seja alta, as aplicações de semicondutores são ainda mais exigentes. Os fornecedores de vidro irão melhorar ainda mais para atender aos requisitos de semicondutores.