La tendencia de desarrollo del sustrato de vidrio

La demanda de obleas de redes e informática sostenibles y de alto rendimiento en inteligencia artificial (IA) ha aumentado sin duda la inversión en I+D y ha acelerado el ritmo de la innovación en la tecnología de semiconductores. Con la Ley de Moore desacelerando a nivel de chip, la gente quiere empaquetar tantos Chiplet (chip pequeño) como sea posible dentro de un paquete ASIC (chip integrado de aplicación específica) para obtener las ventajas de la Ley de Moore a nivel de paquete.

Un paquete ASIC que alberga varios Chiplet normalmente consta de un sustrato orgánico. Está hecho de resina (principalmente laminado de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio) o plástico. Dependiendo de la tecnología de empaquetado, los chips se montan directamente sobre el sustrato o se agrega una capa intermedia de silicio adicional entre los chips para lograr conexiones de alta velocidad entre los chiplets. A veces, los puentes están incrustados dentro del sustrato en lugar de una capa intermedia para proporcionar conectividad de alta velocidad.

El problema con los sustratos orgánicos es que tienden a deformarse, especialmente en paquetes grandes con alta densidad de virutas. Esto limita la cantidad de chips en el paquete. ¡Y aquí es donde el sustrato con núcleo de vidrio (GCS, abreviatura de 'Sustrato de vidrio') puede cambiar las reglas del juego! Se espera que desempeñe un papel clave en la próxima generación de envases de chips avanzados.

¿Por qué sustrato de vidrio?

El vidrio como material está ampliamente estudiado e integrado en m

Múltiples industrias de semiconductores, y esta tendencia representa un avance significativo en la selección de materiales de embalaje avanzados. El vidrio tiene varias ventajas sobre los materiales orgánicos y cerámicos.

A diferencia de los sustratos orgánicos, que han sido la tecnología dominante durante muchos años, el vidrio tiene una excelente estabilidad dimensional, conductividad térmica y propiedades eléctricas. El sustrato de vidrio, combinado con la capa de cableado superior e inferior y otros materiales auxiliares, está hecho conjuntamente del sustrato, lo que puede resolver perfectamente las muchas deficiencias del sustrato orgánico actual. Además, el sustrato de vidrio proporciona a los ingenieros una mayor flexibilidad de diseño, lo que permite integrar inductores y condensadores en el vidrio para obtener mejores soluciones de suministro de energía y un menor consumo de energía.

Las ventajas del sustrato de vidrio son las siguientes:

* El sustrato de vidrio se puede hacer muy plano para obtener patrones más finos, lo que puede reducir la distorsión del patrón en un 50% y una densidad de cableado mayor (10 veces). Durante la litografía, todo el sustrato queda expuesto uniformemente, lo que reduce los defectos.

* El coeficiente de expansión térmica del vidrio es similar al del chip de silicio anterior, lo que puede reducir el estrés térmico.

* No se deforma y puede manejar chips de mayor densidad en un solo paquete. El prototipo inicial puede soportar densidades de viruta un 50 por ciento más altas que los sustratos orgánicos.

Las interconexiones ópticas se pueden integrar perfectamente, lo que da como resultado ópticas empaquetadas más eficientes.

* Estos sustratos suelen ser obleas rectangulares, aumentando el número de chips por oblea, aumentando la producción y reduciendo costes.

Los sustratos de vidrio tienen el potencial de reemplazar los sustratos orgánicos incluidos en el paquete, las capas intermedias de silicio y otros dispositivos de interconexión integrados de alta velocidad.

Sin embargo, existen algunos desafíos con los sustratos de vidrio:

* El vidrio es quebradizo y frágil, por lo que es fácil de romper durante el proceso de fabricación. Esta fragilidad requiere un manejo cuidadoso y equipo especial para evitar daños durante la fabricación. Esta es una debilidad para los productos que enfrentan un alto riesgo de impacto físico, como teléfonos móviles, computadoras portátiles y equipos automotrices.

Garantizar una unión adecuada entre el sustrato de vidrio y otros materiales utilizados en las pilas de semiconductores, como metales y dieléctricos, es un desafío y es difícil llenar uniformemente los orificios pasantes de las líneas. Las diferencias en las propiedades de los materiales pueden provocar tensiones en la interfaz, lo que puede provocar delaminación u otros problemas de confiabilidad. Aunque el coeficiente de expansión térmica del vidrio es similar al del silicio, es muy diferente del material utilizado para las placas PCB/protuberancias. Este desajuste puede crear estrés térmico durante el ciclo de temperatura, afectando la confiabilidad y el rendimiento.

* Demasiado transparente, lo que afectará la precisión de la medición, y el rendimiento es demasiado bajo, capacidad insuficiente.

* La falta de estándares industriales establecidos para sustratos de vidrio genera diferencias en el desempeño entre los diferentes proveedores. Debido a que es una tecnología nueva, no hay suficientes datos de confiabilidad a largo plazo. Se necesitan pruebas de vida más aceleradas para ganar confianza en el uso de estos paquetes para aplicaciones de alta confiabilidad.

A pesar de estos inconvenientes, los sustratos de vidrio son prometedores para la informática de alto rendimiento (HPC), la IA y el silicio de redes de CC, donde la atención se centra en encapsular el mayor rendimiento posible dentro de un paquete ASIC para mejorar la escala general, el rendimiento y la eficiencia de el sistema.

Lee Chang-min, analista de investigación de KB Securities, predice: 'Con el crecimiento exponencial del procesamiento de datos de IA, los sustratos de materiales orgánicos (plásticos) serán escasos para 2030. Los sustratos de vidrio se aplican inicialmente a productos de alta calidad como la IA. aceleradores y CPU de servidor, y se espera que se expandan gradualmente a una gama más amplia de áreas de productos'.

La fuente también señaló que la tecnología de orificio pasante de vidrio (TGV) aún no está lo suficientemente madura para usarse en el procesamiento de sustratos de vidrio y sigue siendo un desafío difícil debido al nivel de precisión requerido. Los sustratos de vidrio aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo.

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Los chips de IA crean demanda de sustratos de vidrio

Los sustratos de vidrio se reconocen como un material clave para la próxima generación de tecnologías avanzadas de envasado de semiconductores y son necesarios para respaldar el crecimiento explosivo de los chips de IA.

La expansión de la capacidad de empaquetado avanzado CoWoS de TSMC apenas ha seguido el ritmo de la creciente demanda de chips de IA, lo que ha llevado a las empresas de semiconductores a buscar alternativas. Según fuentes de la industria, el envasado avanzado que utiliza sustratos de vidrio es una solución potencial.

Actualmente, las empresas de semiconductores están desarrollando dos sustratos de vidrio para envases avanzados. Uno está diseñado para reemplazar la capa intermedia de silicio, utilizando vidrio como plataforma para la integración del chip. Las fuentes dicen que TSMC e Innolux se están moviendo en esa dirección.

Se utilizará otro sustrato de vidrio en el núcleo del sustrato ABF, reemplazando la placa revestida de cobre (CCL). Las fuentes dicen que Intel y la austriaca AT&S están desarrollando conjuntamente este tipo.

Intel inicialmente adoptó un enfoque diferente para desarrollar paquetes avanzados. La empresa busca aprovechar su tecnología de óptica empaquetada (CPO), que utiliza sustratos de vidrio para mejorar la transmisión de señales.

Según las fuentes, el vidrio se utilizará principalmente en sustratos de 110 mm x 110 mm y mayores para satisfacer las necesidades de aplicaciones de dispositivos finales como CPU y GPU para servidores, circuitos integrados de conmutación y módulos de RF.

El sustrato de vidrio es la clave para FOPLP

Los sustratos de vidrio se han convertido en un elemento estratégico clave del embalaje a nivel de panel en abanico (FOPLP), una tecnología desarrollada por TSMC y varias plantas de back-end. Debido a esto, TSMC inicialmente eligió un tamaño de panel de vidrio de 515 mm x 510 mm, según fuentes de la industria, y más recientemente se dice que se decidió por un tamaño más grande adoptado por la fábrica líder de back-end ASE.

FOPLP es una extensión de la tecnología de empaquetado a nivel de oblea (FOWLP). Debido a que FOPLP utiliza un panel más grande, puede manejar varias veces más chips que obleas de 300 mm.

Según las fuentes, los desarrolladores de FOPLP están utilizando una variedad de tamaños de paneles, que incluyen principalmente 300 mm x 300 mm, 515 mm x 510 mm, 600 mm x 600 mm y 620 mm x 750 mm.

El fabricante de paneles de visualización Innolux ha entrado en el espacio de los semiconductores y está desarrollando FOPLP con el tamaño de panel más grande de cualquier otro fabricante: 620 mm x 750 mm.

A medida que aumenta la importancia de los sustratos de vidrio en el envasado de chips avanzados, aumenta la competencia entre los fabricantes, lo que impulsa la innovación y la inversión en esta tecnología prometedora.

Aumento de precio del material de sustrato de vidrio.

Los paneles FOPLP pueden ser PCB o sustratos de vidrio, similares a los utilizados para fabricar pantallas LCD.

La gente de la industria de fabricación de vidrio señala que el sustrato de vidrio de los paneles FOPLP y LCD es esencialmente el mismo. Si bien la pureza del vidrio LCD ya es alta, las aplicaciones de semiconductores son aún más exigentes. Los proveedores de vidrio seguirán mejorando para cumplir con los requisitos de semiconductores.