Glas-Substrat, aufholen

In einem KI-Datenzentrum müssen Tausende von Chips ständig Daten austauschen. Von dem Inneren der Chips über die Verpackung bis hin zu Servern und Schränken steigt die Geschwindigkeit der Datenübertragung stetig, wodurch die Interkonnektionstechnologie zu einem zentralen Schwerpunkt der Branche geworden ist.

In den vergangenen Jahren hat sich in der Branche eine relativ klare Einschätzung herausgebildet: Mit der stetigen Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit stehen Kupferinterkonnektionen unter zunehmendem Druck in Bezug auf Bandbreite und Stromverbrauch, Lichtinterkonnektionen werden zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung, und die co-verpackte Optik (CPO) verspricht, den Abstand zwischen optischen Bauelementen und Chips weiter zu verkürzen.

Doch abgesehen von dieser technischen Route holt eine weitere, weniger auffällige Technologie möglicherweise rasch auf.

Dabei handelt es sich um das Glassubstrat.

Im Vergleich zu CPO hat das Glassubstrat eine weniger starke öffentliche Aufmerksamkeit als Technikthema, seine industriellen Aufgaben sind jedoch relativ konkret: Wie man feine Mikrodurchgangslöcher in Glas herstellt, wie man Kupfer einfüllt, wie man die Verformung großformatiger Substrate kontrolliert und wie man diese Verfahren in einen stabilen Produktionsprozess integriert.

Wenn diese Probleme schrittweise gelöst werden können, hat das Glassubstrat die Chance, als erstes in das Verpackungssystem der nächsten Generation von KI-Chips einzutreten. Zumindest aus Sicht des technischen Fortschritts kann es früher als CPO substanzielle Durchbrüche erzielen.

Zwei verschiedene technische Herausforderungen

Sowohl CPO als auch Glassubstrate stehen vor technischen Herausforderungen, die Schwierigkeiten liegen jedoch nicht auf denselben Gebieten.

Bei CPO fehlt es nicht an grundlegenden Technologien. Schlüsselkomponenten wie Laser, Modulatoren, Wellenleiter und Glasfaserverbinder sind bereits vorhanden. Das wirklich Komplexe besteht darin, diese Komponenten zu einem System zu integrieren, das für den großflächigen Einsatz geeignet ist.

Zum Beispiel, wie die Lichtquellen konfiguriert werden sollen, welche Verbindungsart für Glasfasern verwendet wird, wie die Wärmeableitung von Lichtmotoren funktioniert, ob eine einfache Reparatur oder ein Austausch nach Ausfällen möglich ist und wie die Bauelemente verschiedener Hersteller zusammenarbeiten. All diese Probleme beeinflussen das gesamte Design von CPO und stehen im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit, den Kosten und der tatsächlichen Bereitstellungseffizienz der Produkte.

Bei noch nicht vollständig ausgereiften Systemlösungen muss die Industriekette häufig wiederholt validiert und koordiniert werden. Fortschritte bei einzelnen Technologien bedeuten nicht, dass das gesamte System sofort in die Phase der großflächigen kommerziellen Nutzung eintreten kann.

Die Situation bei Glassubstraten ist anders.

Ihre grundlegende Struktur und Anwendungsziele sind relativ klar, die Hauptprobleme, die die Industrie lösen muss, liegen im Fertigungsbereich. Wie man eine große Anzahl von Mikrodurchgangslöchern in Glas verarbeitet, Risse vermeidet, eine zuverlässige Kupferfüllung erreicht und die Verformung des Substrats während der Verarbeitung und Erwärmung kontrolliert, weisen alle relativ klare technische Richtungen auf.

Das bedeutet nicht, dass die Massenproduktion von Glassubstraten einfacher ist. Tatsächlich kann jedes Problem in einem beliebigen Glied den Ertrag des gesamten Substrats beeinträchtigen. Im Vergleich zu den Systemarchitektur- und Industriekettenkoordinationsproblemen, mit denen CPO konfrontiert ist, lassen sich einige technische Schwierigkeiten von Glassubstraten leichter in konkrete Verarbeitungsaufgaben unterteilen und durch kontinuierliche Tests und Fertigungsvalidierungen schrittweise vorantreiben.

Das eine erfordert eine ständige Abstimmung der Systemlösungen durch die Industriekette, das andere erfordert die schrittweise Ausreifung der Fertigungsverfahren. Daher kann es zu Unterschieden im Industrialisierungsrhythmus der beiden Technologien kommen.

KI-Chips werden immer größer – die Chance für Glassubstrate ist gekommen

Die Aufmerksamkeit, die Glassubstrate erhalten, geht auf den Trend zurück, dass die Verpackungsgrößen von KI-Chips stetig zunehmen.

Mit der stetigen Leistungssteigerung von KI-Prozessoren wie GPUs müssen immer mehr HBMs um einzelne Chips herum angeschlossen werden. Um die Anforderungen an Bandbreite und Kapazität zu erfüllen, muss das Verpackungsdesign nicht nur den Prozessor selbst berücksichtigen, sondern auch Platz für die umliegenden Speicher, Interkonnektionsstrukturen und andere Komponenten lassen.

Das stellt höhere Anforderungen an das Verpackungssubstrat.

Derzeit verwenden herkömmliche Verpackungssubstrate hauptsächlich organische Materialsysteme. Mit zunehmender Verpackungsfläche wird die Kontrolle der Substratverformung schwieriger. Während der Wärmebehandlung und nachfolgenden Verpackungsprozessen kann die Materialverformung die Leitungsgenauigkeit, die Chipplattenmontage und die Zuverlässigkeit der Lötstellen beeinträchtigen.

Genau hier liegt der Vorteil von Glas.

Im Vergleich zu herkömmlichen organischen Substraten weist Glas eine gute Dimensionsstabilität und Ebenheit auf, seine Wärmeausdehnungseigenschaften können je nach spezifischem Materialsystem gestaltet werden. Gleichzeitig hat das Glasmedium gute hochfrequente elektrische Eigenschaften, die die Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen begünstigen; die panelbasierte Verarbeitung bietet eine weitere Möglichkeit zur Herstellung großformatiger Substrate.

Für Verpackungslösungen, die gleichzeitig große Prozessoren und mehrere Gruppen von HBMs tragen müssen, sind diese Eigenschaften praktisch attraktiv.

Glas hat jedoch auch Nachteile. Seine Sprödigkeit, die Schwierigkeit bei der Verarbeitung von Mikrodurchgangslöchern und die nachfolgenden Metallisierungsverfahren können die Fertigungskomplexität erhöhen. Ob Glassubstrate tatsächlich einen Teil der herkömmlichen organischen Substrate ersetzen können, hängt letztendlich davon ab, ob Herstellungskosten, Ausbeute und Zuverlässigkeit die Produktanforderungen erfüllen.

Daher liegt der Schwerpunkt der Aufmerksamkeit in der Branche nicht mehr nur darauf, ob Glas Vorteile hat, sondern darauf, ob diese Vorteile in massenproduzierbare Produkte umgewandelt werden können.

Durchgangslöcher, Verformung und Kupferfüllung – noch mehrere Hürden vor der Massenproduktion

Die Herstellung von Glassubstraten ist nicht so einfach wie das Zuschneiden von Glas auf die erforderliche Größe und das Herstellen von Leitungen auf der Oberfläche. Um es tatsächlich als Verpackungssubstrat verwenden zu können, muss zunächst das Problem der Glasdurchgangslöcher (TGV) gelöst werden.

Diese Durchgangslöcher verbinden die Schaltkreise auf beiden Seiten des Glases, ihr Durchmesser liegt normalerweise im Bereich von mehreren zehn Mikrometern, die genaue Größe hängt vom Produktdesign ab. Während der Verarbeitung müssen sowohl Durchmesser und Positionsgenauigkeit kontrolliert werden, als auch Risse oder andere Defekte im Glas vermieden werden.

Eine Verarbeitungsroute besteht darin, die lokalen Bereiche des Glases mit Laser zu modifizieren und dann den modifizierten Bereich durch chemisches Ätzen zu entfernen, um die erforderlichen Durchgangslöcher zu bilden. Dieses Verfahren eignet sich für die Verarbeitung feiner Strukturen, die Verarbeitungsqualität, Effizienz und nachfolgende Metallisierung müssen jedoch weiter optimiert werden.

Die Bedeutung von TGV liegt nicht nur darin, ob das Glas durchdrungen werden kann. Größe, Position und Qualität der Durchgangslöcher beeinflussen auch die Kupferfüllung, das Leitungsdesign und die Zuverlässigkeit der endgültigen Verpackung. Selbst wenn bei der Verarbeitung von Durchgangslöchern Durchbrüche erzielt werden, handelt es sich nur um ein Glied in der Herstellungskette von Glassubstraten.

Ein weiteres Problem ist die Verformung.

Dass Glas eine gute Ebenheit aufweist, bedeutet nicht, dass sich großformatiges Glas unter allen Verarbeitungsbedingungen nicht verformt. Mit zunehmender Substratfläche und steigender Anzahl von Leitungen und Metallstrukturen können thermomechanische Unterschiede zwischen den Materialien immer noch zu Verformungen führen.

Wie bekannt ist, erwägt Samsung Electro-Mechanics, dieses Problem durch die Verwendung von dickerem Glas zu lösen, die entsprechende Lösung sieht eine Dicke von etwa 2 Millimetern vor.

Die Glasdicke scheint nur ein Parameter zu sein, beeinflusst aber tatsächlich das gesamte nachfolgende Verfahren. Die Dicke bestimmt die Tiefe der Durchgangslöcher, was wiederum die Verarbeitungszeit und die Schwierigkeit der Kupferfüllung beeinflusst, und wirkt sich auch auf die Substratstruktur und das Leiterbahndesign aus.

Daher ist die Festlegung der Glasdicke nicht nur eine Materialauswahl, sondern ein wichtiger Schritt, der Glasverarbeitung, Herstellung von Durchgangslöchern, Metallisierung und Verpackungsdesign miteinander verbindet. Die Festlegung der Parameter bedeutet jedoch nicht, dass die Probleme der Massenproduktion gelöst sind, die Stabilität des gesamten Herstellungsprozesses muss anschließend noch validiert werden.

Im Vergleich dazu ist die Kupferfüllung eines der Glieder, das noch schwerpunktmäßig gemeistert werden muss.

Nachdem die Glasdurchgangslöcher gebildet wurden, muss Kupfer eingefüllt werden, um eine zuverlässige elektrische Verbindung herzustellen. Das Füllen von unten nach oben ist relativ zuverlässig, kann aber langsam sein; das Erweitern von der Mitte zu beiden Seiten verspricht eine höhere Effizienz, kann aber interne Hohlräume und andere Defekte verursachen.

Hersteller müssen ein Gleichgewicht zwischen Füllqualität, Produktionseffizienz, Kosten und Zuverlässigkeit finden.

Verwandte Quellen erwähnen auch, dass die Industrie derzeit alternative Lösungen wie die Anpassung der Füllspezifikationen und die Verwendung von Wärmebehandlung zur Bildung leitfähiger Strukturen aus Kupferpulver erforscht. Ob diese Routen für die tatsächliche Massenproduktion geeignet sind, hängt von nachfolgenden Validierungen ab und kann nicht nur aufgrund theoretischer Effizienzvorteile beurteilt werden.

Aus der aktuellen technischen Perspektive werden die Probleme von Glassubstraten zunehmend konkret. Wie man Durchgangslöcher verarbeitet, wie man die Verformung des Substrats kontrolliert und wie man Kupfer zuverlässig füllt – jedes Glied hat klare Verarbeitungsziele, aber es braucht noch Zeit, um sie zu einem stabilen Produktionsprozess zu kombinieren.

Warum wird Südkorea zunehmend beachtet?

Ein weiterer Beobachtungspunkt der Glassubstratindustrie ist der Wettbewerb zwischen Südkorea, Taiwan (China) und Festlandchina.

Taiwan (China) und Festlandchina verfügen über eine starke Grundlage in der Displayindustrie, verwandte Unternehmen haben langjährige Erfahrungen in der Verarbeitung von großformatigem Glas gesammelt. Aus dieser Sichtweise verfügen die beiden Regionen natürlich über potenzielle Vorteile bei der Entwicklung von Glassubstraten.

Aber Display-Panels und Halbleiter-Verpackungssubstrate sind keine identischen Fertigungsaufgaben.

Die Verarbeitung von Glaspanels legt Wert auf die Fähigkeit zur großflächigen Herstellung, während die Halbleiterverpackung auch eine hochdichte Interkonnektion in einem begrenzten Raum erreichen muss, was höhere Anforderungen an die Positionsgenauigkeit von Durchgangslöchern, die Leiterbahnverarbeitung und die Qualität der Metallfüllung stellt. Die Fähigkeit, großformatiges Glas zu verarbeiten, bedeutet nicht, dass alle Fertigungsanforderungen der Halbleiterverpackung direkt erfüllt werden können.

Was wirklich wichtig ist, ist, ob Unternehmen die Glasverarbeitung mit Schritten wie Laserbearbeitung, Ätzen, Galvanisierung und nachfolgender Leiterbahnfertigung kombinieren können und die Qualität während der wiederholten Produktion stabil kontrollieren.

Laut Branchenbeobachtungen sammeln südkoreanische Unternehmen kontinuierlich Erfahrungen in verwandten Schritten, darunter Substrathersteller, Unternehmen, die sich mit Laser und Ätzen befassen, sowie Lieferanten von Galvanisierungschemikalien. Da TGV die Zusammenarbeit mehrerer Verfahrensschritte erfordert, ist die Koordination zwischen den Gliedern der Industriekette auch Teil des Wettbewerbs.

Analysten gehen davon aus, dass südkoreanische Unternehmen bei den TGV-bezogenen Fertigungserfahrungen möglicherweise bereits leicht vor Taiwan (China) und Festlandchina liegen.

Diese Einschätzung erfordert jedoch noch mehr konkrete Daten zur Unterstützung. Die derzeit von verschiedenen Unternehmen verwendeten Verfahren, Produktspezifikationen und Validierungsphasen sind nicht vollständig identisch, und Fortschritte in einem einzelnen Verfahrensschritt können nicht direkt als Maßstab für den Vorsprung der gesamten Industriekette dienen.

Für Glassubstrate liegt der endgültige Wettbewerb nicht darin, wer zuerst die erfolgreiche Forschung und Entwicklung ankündigt, sondern wer die Verarbeitung von Durchgangslöchern, Kupferfüllung, Verformungskontrolle und Leiterbahnfertigung integrieren kann, um eine wiederholbare Produktion zu erreichen und gleichzeitig die Anforderungen an die Produktzuverlässigkeit zu erfüllen.

Aus diesem Grund sind die technischen Fortschritte in der aktuellen Phase beachtenswert, können aber nicht einfach mit Massenproduktionskapazität gleichgesetzt werden.

Könnten Glassubstrate vor CPO praktisch eingesetzt werden?

Zurück zur ursprünglichen Frage: Warum können Glassubstrate früher als CPO industrielle Durchbrüche erzielen?

Der Schlüssel liegt nicht darin, wer die fortschrittlichere Technologie hat, sondern darin, dass die industriellen Schwellenwerte, die beide überwinden müssen, unterschiedlich sind.

Der langfristige Wert von CPO bleibt eindeutig. Mit den steigenden Anforderungen von KI-Datenzentren an Bandbreite, Stromverbrauch und Interkonnektionsdichte wird die Lichtinterkonnektion voraussichtlich in mehr Szenarien eine Rolle spielen. Aber CPO muss von einzelnen Bauelementen zu Systemanwendungen noch Probleme wie Lichtquellen, Verbindungen, Wärmeableitung, Tests, Reparatur und Koordination der Lieferkette lösen.

Für Glassubstrate gibt es eine relativ klare Entwicklungsroute. Die stetige Vergrößerung der Verpackungsfläche von KI-Chips und die zunehmende Aufmerksamkeit für die Verformung und Größenbeschränkungen, mit denen herkömmliche organische Substrate konfrontiert sind, schaffen einen klaren Anwendungsbedarf für Glas. Als Nächstes muss die Industrie die Verarbeitung von Durchgangslöchern, die Kupferfüllung und die Substratstabilität kontinuierlich verbessern und validieren, ob diese Verfahren die Anforderungen der Massenproduktion erfüllen können.

Wenn die verwandten Fertigungsschritte schrittweise ausgereift werden, haben Glassubstrate die Chance, als erstes in die Verpackung der neuen Generation von KI-Chips einzutreten.

Das bedeutet nicht, dass CPO durch Glassubstrate ersetzt wird. Beide lösen unterschiedliche Probleme und können in Zukunft auch im selben fortschrittlichen Verpackungssystem vorkommen: Das Glassubstrat trägt die Chips und realisiert die hochdichte Interkonnektion, während die Lichtinterkonnektion die Aufgabe der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung übernimmt.

Für die Industriekette ist es beachtenswert, nicht wer zwischen Glas und Licht gewinnt, sondern ob die Fortschritte beider technischer Routen die Erwartungen erfüllen und in welchem Rhythmus sie in praktische Anwendungen gelangen.

Im Vergleich zu dem Bild von Lichtstrahlen, die zwischen Chips übertragen werden, ist ein Glas voller feiner Kupferdurchgangslöcher weniger auffällig. Aber heute, wo die Verpackung von KI-Chips immer komplexer wird, hängt die tatsächliche Umsetzung einer Technologie oft nicht davon ab, wie neu das Konzept ist, sondern davon, ob das Fertigungsverfahren wirklich ausgereift ist.

CPO repräsentiert die zukünftige Richtung der Interkonnektionstechnologie, während Glassubstrate möglicherweise als erstes die aktuellen Probleme bei