Hat Intel es wieder richtig getippt?
„Früher war man skeptisch, ob Glassubstrate den bei der Verkapselung auftretenden Spannungen standhalten können. Doch inzwischen ist die technische Stabilität gewährleistet“, sagte Yoo Dong - soo, Leiter des Forschungsteams des Ansys Korea Development Centers, auf einer kürzlich stattgefundenen Präsentation. „Wir erwarten, dass diese Technologie innerhalb von drei Jahren kommerzialisiert werden kann.“ Fügte er hinzu.
Als wichtiger Partner von Intel auf dem Gebiet der Glassubstrate bestätigt diese Offenlegung von Ansys erneut die Voraussichtskraft von Intel. Früher gab es Berichte, dass Intel das Projekt möglicherweise aufgeben könnte. Doch der aktuelle CEO Lip - Bu Tan hat sich entschieden, das Projekt fortzusetzen, und so haben wir heute die Ergebnisse.
Nach der kontinuierlichen Investition in CPU und EMIB hat Intel erneut richtig gespielt.
Glassubstrate sind unverzichtbar
Mit zunehmender Komplexität der Chips, um die wachsenden Rechen - und Speicheranforderungen zu erfüllen, ist die fortschrittliche Verkapselungstechnologie für jeden großen Halbleiterhersteller von entscheidender Bedeutung.
Beispielsweise ist es in den letzten Jahren bei der Entwicklung von Hochleistungshalbleitern üblich geworden, Hochbandbreitenspeicher (HBM) - Chips und Logikchips in einer einzigen Verkapselung zu integrieren. Yoo Dong - soo sagte auch: „Die Anzahl der HBM - Chips ist von vier auf sechs und kürzlich auf acht gestiegen. In einigen Projekten wird sogar die Verwendung noch mehrer Chips in Betracht gezogen.“ Diese Struktur verbessert die Leistung, indem mehrere Chips in einer einzigen Verkapselung zusammengefasst werden, anstatt einen einzelnen Chip (Die) zu verwenden.
Mit der gleichzeitigen Zunahme der Integration von Chips und Speichern wächst auch die Größe der Verkapselungen. Derzeit ist die Größe von kommerziell erhältlichen Hochleistungsverkapselungen etwa das Dreifache der Größe einer Fotomaske (der Einheit der Fläche, die in einem Schritt bei der Halbleiterfotolithografie belichtet werden kann). In der Forschungsphase ist diese Größe bereits auf mehr als das Fünffache angewachsen.
Nehmen wir TSMC als Beispiel. Dank ihrer CoWoS 2,5D - Technologie ist TSMC der weltweit wichtigste Anbieter von fortschrittlichen Verkapselungen. Derzeit besteht die Nachfrage nach der Integration von HBM - Chips und Logikchips in einer einzigen Verkapselung, und die Anzahl der HBM - Chips wächst rapide. Kürzlich hat OpenAI gezeigt, wie man mit einer EMIB - ähnlichen Lösung die Grenzen der aktuellen CoWoS - Technologie überwinden kann.
Um die Nachfrage weiter zu befriedigen, entwickeln Halbleiterhersteller wie TSMC neue CoWoS - Chip - Lösungen, um die Chipleistung zu verbessern. Bei der Planung der nächsten Generation von Designs hat TSMC eine Lösung mit mehr als 14 - facher Fotomaschengröße entwickelt und bietet 24 - fache HBM - Verkapselungen an. Darüber hinaus gibt es noch fortschrittlichere Lösungen, wie beispielsweise SoW - X, bei der die Fotomaschengröße auf mehr als 40 - fache erweitert werden kann und mehr als 60 - fache HBM - Verkapselungen angeboten werden.
Dies wird die Rechenleistung der nächsten Chipgeneration erheblich verbessern. Doch auch diese Lösungen haben ihre Probleme. Mit der Zunahme von thermischen und mechanischen Spannungen steigt das Risiko von Verformungen. Gleichzeitig steigen die Komplexität und die Kosten der Chipherstellung. Mit zunehmender Größe der Designs wird die Chipentwicklung schwieriger. Diese Designs bringen auch starke thermische und mechanische Spannungen mit sich, die zu Verformungen der Chips führen können. Darüber hinaus verlängert sich die Produktionszeit von Chips auf der Grundlage des RDL - Prozesses erheblich, manchmal sogar auf mehr als einen Monat.
Diese Faktoren führen zu Engpässen im Halbleiterökosystem in Bezug auf Leistung, Substrate, Wärmemanagement, Verbindungstechnologien und Datenübertragungsstrukturen. Um diese Engpässe zu überwinden, wird die Glas - Substrattechnologie als eine praktikable Alternative angesehen.
Im Vergleich zu herkömmlichen organischen Substraten haben Glassubstrate eine bessere thermische Stabilität und Verformungsbeständigkeit, was sie zu einem Material macht, das die Verformung von großen Verkapselungen reduzieren kann.
Aus den verfügbaren Informationen geht hervor, dass Glas einerseits eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität hat und größere Flächen und feinere Muster unterstützen kann. Darüber hinaus hat es den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium und ist äußerst eben und stabil. Andererseits ist Glas zweifellos ein Trend. Glas hat eine hohe Fehlertoleranz, und einige seiner elektrischen Eigenschaften sind auch vorteilhaft. Solange man nicht auf minimale Dicken setzt, kann es die Fotolithografie vereinfachen. Außerdem hat Glas eine niedrige Dielektrizitätskonstante, was die Signallaufzeit und die Störungen zwischen benachbarten Verbindungen minimiert, was für Hochgeschwindigkeitselektronik von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus kann es die Kapazität zwischen Verbindungen reduzieren, was eine schnellere Signalübertragung und eine höhere Gesamtleistung ermöglicht.
Wie oben erwähnt, müssen Sie jedoch, wenn Sie Glas verwenden möchten, Probleme wie die Grenzflächenspannungen, die Bruchdynamik von Glas und die Entkopplung von Spannungen von einer Schicht auf die andere lösen. Darüber hinaus wird das Substrat aufgrund der Sprödigkeit von Glas immer dünner, um den Anforderungen moderner Halbleiterbauelemente zu entsprechen, was noch größere Probleme mit sich bringt. Die Handhabung und Verarbeitung dieser dünnen Glassubstrate erfordert besondere Vorsicht, da das Risiko von Beschädigungen erheblich steigt. Darüber hinaus stellt Glas auch größere Herausforderungen bei der Prüfung und Messung dar.
Das ist auch der Grund, warum Intels Glassubstrat - Ansatz in Zweifel gezogen wurde. Doch jetzt scheint sich die Lage zu verbessern.
Intels Weg mit Glassubstraten
Wir konnten die Herkunft von Intels Glassubstraten nicht ermitteln. Im Jahr 2023 haben sie jedoch angekündigt, eines der ersten Glassubstrate für die nächste Generation von fortschrittlichen Verkapselungen auf den Markt zu bringen. Gemäß ihrem Plan soll diese Verkapselung später in diesem Jahrzehnt eingeführt werden. Dieses bahnbrechende Ergebnis wird die kontinuierliche Verkleinerung der Anzahl von Transistoren in der Verkapselung vorantreiben und die Weiterentwicklung des Moore'schen Gesetzes unterstützen, um datenzentrierte Anwendungen zu ermöglichen.
Nach Intels Aussagen damals hat Glas im Vergleich zu den derzeitigen organischen Substraten viele einzigartige Vorteile, wie beispielsweise eine extrem niedrige Planarität sowie eine bessere thermische und mechanische Stabilität, was eine höhere Dichte von Substratverbindungen ermöglicht. Diese Vorteile werden es Chiparchitekten ermöglichen, hochdichte, leistungsstarke Chipverkapselungen für datenintensive Arbeitslasten wie Künstliche Intelligenz (KI) zu entwickeln. Intel wird voraussichtlich in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts eine vollständige Glassubstrat - Lösung auf den Markt bringen, um die Weiterentwicklung des Moore'schen Gesetzes nach 2030 zu unterstützen.
Im Januar dieses Jahres hat Intel bei der NEPCON - Messe in Japan seine EMIB - Verkapselungstechnologie mit einem „Thick Core“ - Glassubstrat vorgestellt. Das Intel - Team behauptet, dass dies eine einzigartige Lösung sei und dass es speziell für Datenzentrum - Anwendungen entwickelt wurde.
Eine der gezeigten Folien zeigt, dass Intel ein neues Hochleistungs - Kern - Glassubstrat entwickelt hat, das eine Größe von 78 x 77 Millimetern hat und für die gesamte Verkapselung geeignet ist. Dieses Substrat kann etwa das Doppelte der Fläche einer Siliziumscheibe aufnehmen, was einer Fläche von etwa 1716 Quadratmillimetern (2 x 858 Quadratmillimeter) entspricht und für Logik und Speicher verwendet werden kann. Dies ist das erste 10 - 2 - 10 - Schicht - Dickglas - Kernsubstrat, das die Intel - EMIB - Multi - Chip - Modul - Technologie nutzt. Diese Struktur enthält an der Oberseite des Substrats 10 Schichten von Redistribution Layers (RDL), um die Signale von den Chips umzuleiten. Diese Schichten sind für die feinste Verdrahtung zuständig, und Intel hat dafür bis zu 10 Schichten vorgesehen.
Der Kern des Glassubstrats besteht aus zwei Schichten und ist aus einem Material mit einer Dicke von 800 Mikrometern (oder 0,8 Millimetern) hergestellt. Darin können eingebettete Metallschichten für Through - Glass Vias (TGV) oder Strom - / Erdungsschichten enthalten sein. Die letzte Ziffer „10“ steht für die Anzahl der Schichten am Boden (oder Rückseite), die spiegelbildlich zur Oberseite angeordnet sind, um eine symmetrische Verdrahtung mit der Hauptplatine/PCB herzustellen. Diese Schicht kann auch die vielen freiliegenden Drähte des Siliziumchips „vereinfachen“ und es erleichtern, sie mit einer Standard - Hauptplatine/PCB zu verbinden. Intels 10 - 2 - 10 - Glas - Kernsubstrat hat auch einen der feinsten Bump - Abstände auf dem Markt, nur 45 Mikrometer (0,045 Millimeter). Schließlich hat Intel auch zwei EMIB - Brücken für die Multi - Chip - Modul - Verkapselung eingebettet, so dass mehrere kleinere Chips hergestellt und über die EMIB - Brücken auf dem Glas - Kern miteinander verbunden werden können.
Bei den Tests hat Intel keine SeWaRe - Probleme festgestellt. SeWaRe bezieht sich auf Mikrorisse in Glas während des Herstellungsprozesses. Aufgrund der Sprödigkeit von Glas können SeWaRe - Probleme in verschiedenen Formen auftreten, insbesondere beim Schneiden des Substrats, wo Mikrorisse leichter entstehen. Wenn Glas gerissen ist, spricht man von SeWaRe. Intel scheint eine Lösung gefunden zu haben, sei es durch Materialwissenschaft oder andere Herstellungsprozesse, um SeWaRe zu vermeiden. Die Besonderheit dieser Glassubstrate besteht darin, dass derzeit nur wenige Unternehmen in der Branche diese Technologie entwickeln. Dies liegt daran, dass SeWaRe schwieriger zu handhaben ist als herkömmliche organische Verkapselungsprozesse. Obwohl der Herstellungsprozess komplexer ist, bringt SeWaRe auch viele Vorteile, wie beispielsweise eine höhere Hitzebeständigkeit, die Verhinderung von Verformungen und eine bessere elektrische Isolation, was die Signallaufzeit und Störungen in eng gekoppelten Bereichen reduziert und eine höhere Dichte von Verbindungen ermöglicht.
Analysten haben angegeben, dass Intel mehr als 1.000 Erfindungen auf dem Gebiet von Glassubstrat - Architektur, - Prozess, - Material und - Geräten angesammelt hat. Dies ist keine schrittweise Weiterentwicklung, sondern eine systemische Neukonstruktion der Plattform, um die Grenzen von organischen Substraten, wie Verformungen, Verdrahtungsdichte, Stromintegrität und mechanische Stabilität bei sehr großen Größen, endgültig zu überwinden.
Abschluss
Während Intel auf Glassubstrate setzt, bemühen sich die Elektronik - Tochterunternehmen großer südkoreanischer Konzern wie Samsung, SK und LG darum, in den Markt für die nächste Generation von Halbleiter - Glassubstraten einzudringen.
Nach Berichten südkoreanischer Medien Ende November letzten Jahres hat Samsung Electro - Mechanics in seiner Fabrik in Sejong eine Pilotproduktionslinie für Glassubstrate errichtet und im Jahr dieses Jahres mit der Produktion begonnen. Das Unternehmen plant, diesen Monat die ersten Proben an das globale Technologieunternehmen B zu liefern.
Darüber hinaus hat das Unternehmen auch ein Memorandum of Understanding mit der japanischen Sumitomo Chemical Group unterzeichnet, um die Gründung eines Joint Ventures im Bereich der Herstellung von Glassubstrat - Materialien zu untersuchen. Damals sagte Chang Deok - hyun, Präsident von Samsung Electro - Mechanics: „Glas - Kernmaterial ist das Schlüsselmaterial, das die Zukunft des Substratmarktes verändern wird.“ Und er fügte hinzu: „Wir werden unsere technologische Führungsrolle festigen und die Entwicklung des Ökosystems für fortschrittliche Verkapselungssubstrate vorantreiben.“
Absolix, eine Tochtergesellschaft von SKC, hat 2022 in Georgia in den USA mit dem Bau einer Glassubstrat - Fabrik begonnen und seit letztem Jahr Proben an potenzielle Kunden geliefert. Die Fabrik wird in zwei Phasen gebaut: Die erste Phase ist fertiggestellt und hat eine Jahreskapazität von 12.000 Quadratmetern. Die zweite Phase soll gebaut werden und wird eine Jahreskapazität von 72.000 Quadratmetern haben.
LG Innotek baut ebenfalls eine Pilotproduktionslinie für Glassubstrate in seiner Fabrik in Gumi. Das Ziel ist, bis Ende dieses Jahres ein Prototyp zu produzieren und ab 2027 - 2028 mit der Massenproduktion zu beginnen.
Unter der Führung ihrer jeweiligen Managementteams bemühen sich diese Unternehmen darum, Glassubstrate zu einem neuen Wachstumsmotor zu machen. Doch die Mitarbeiter an der Frontlinie sind immer noch besorgt über die Kommerzialisierung von Glassubstraten. Technische Herausforderungen und Marktunsicherheiten werden als Hauptgründe angesehen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Substratmaterialien ist die Verarbeitung von Glas sehr schwierig. Wenn bei der Schneidung (Singulation), beim Bohren von TGV - Löchern oder beim Galvanisieren Mikrorisse auftreten, kann das gesamte Substrat brechen. Deshalb bemühen sich Hersteller von Glassubstrat - Geräten darum, Technologien zur Herstellung von TGV mit hohem Aspektverhältnis zu entwickeln.
Darüber hinaus ist Glassubstrat sehr glatt und eben, was es schwierig macht, es fest mit dem Kupfermaterial auf dem Substrat zu verbinden. Dies ist ebenfalls ein Problem. Außerdem kann die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Materialien manchmal zu Defekten im Chip bei hohen Temperaturen führen.
Ein leitender Angestellter der Verkapselungsabteilung eines Halbleiterunternehmens sagte: „Die Probleme mit der Zuverlässigkeit und Kompatibilität von Glassubstraten sind noch nicht gelöst. Die Verkapselungsbranche wird bei der Entwicklung neuer Technologien möglicherweise nicht annehmen, dass Glassubstrate die einzige Lösung sind.“ Und er fügte hinzu: „Ich befürchte, dass im Vergleich zur Einschätzung der Mitarbeiter an der Frontlinie zu viele Investitionen unbewährt getätigt werden.“
Dieser Artikel stammt aus dem WeChat - Account „Semiconductor Industry Observation“ (ID: icbank), Autor: Redaktion, veröffentlicht von 36Kr mit Genehmigung.