CoPoS kommt, die Verpackung hat sich verändert
KI-Chips werden immer größer, und das fortschrittliche Packaging sucht ebenfalls nach neuen Produktionsverfahren.
In der Vergangenheit war CoWoS eine der wichtigen technologischen Routen für das fortschrittliche Packaging. Mit der zunehmenden Ausweitung des Integrationsumfangs von GPUs und HBM treten jedoch die Einschränkungen des herkömmlichen Wafer-Level-Packaging in Bezug auf die Flächenausnutzung allmählich zutage, und die Branche richtet ihren Blick auf CoPoS, also Chip-on-Panel-on-Substrate.
Der intuitivste Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass sich der Verarbeitungsträger von einem runden Wafer zu einem rechteckigen Panel ändert. Nach der am 22. Oktober veröffentlichten Analyse von Yong-woon Kang, Geschäftsführer von Infomarket, treibt TSMC diese Richtung voran, und Samsung Electro-Mechanics soll ebenfalls an der Erforschung entsprechender Technologien arbeiten.
Die durch diese Veränderung entstehenden Chancen liegen nicht nur im Packaging-Prozess selbst, sondern erstrecken sich auch auf die Ausrüstungs- und Materialsegmente. Unter anderem sind die Heißpress-Bondmaschinen im 40-Millimeter-Bereich, das MSVP-Präzisionsschneidsystem sowie die Heißpress-Bondmaschinen im 120-Millimeter-Bereich die drei von Infomarket schwerpunktmäßig beobachteten Ausrüstungstypen. Mit Blick auf die Zukunft dürfte die Nachfrage nach entsprechenden Ausrüstungen mit der Entwicklung von Glaskernsubstraten und Glas-Interposern eine neue Runde des Wachstums erleben.
Vom Wafer zum Panel: Welche Veränderungen hat der Packaging-Prozess durchlaufen?
Um die durch CoPoS entstehenden Ausrüstungschancen zu verstehen, muss man zunächst betrachten, wie die Produktion abläuft.
In dem von Infomarket vorgestellten Konzept verwendet CoPoS eine organische Umverteilungsschicht (RDL) als Interposer-Struktur. Zuerst werden feine Leitbahnen auf einem temporären Glasträger hergestellt, dann werden GPU-Chips und HBM-Stapel auf der RDL montiert. Nach dem Formen, Ablösen des Trägers und Schneiden werden die unabhängigen Packaging-Körper schließlich mit dem organischen Packaging-Substrat verbunden.
Hier gibt es einen leicht zu verwechselnden Punkt: **Das Glas in diesem aktuellen CoPoS-Konzept dient hauptsächlich als temporärer Träger, und die endgültige RDL-Interposer-Schicht ist weiterhin eine organische Materialstruktur.** Die Verwendung von Glas als permanentes Substrat oder Interposer ist eine weitere Route, die sich in der Folge möglicherweise entwickelt.
RDL ist der Schlüssel dieses Verfahrens. Sie ist für die Umverteilung der elektrischen Verbindungen zwischen den Chips zuständig. Die in den Unterlagen angegebene repräsentative Leitbahnbreite beträgt etwa 2 Mikrometer, weit weniger als die bei herkömmlichen Packaging-Substraten üblichen 10 Mikrometer und mehr. Um solch feine Leitbahnen herzustellen, muss die relativ ebene Oberfläche des Glasträgers genutzt werden, und zwischen Glas und RDL wird eine Ablöseschicht angeordnet, damit das Glas später abgelöst werden kann.
Nach Abschluss der RDL-Herstellung werden GPU und HBM nebeneinander auf dem Panel montiert. Anschließend umhüllt das Formmaterial die Chips und die RDL, um der ursprünglich dünnen, nicht selbsttragenden Struktur mechanische Festigkeit zu verleihen. Nachdem der Glasträger entfernt wurde, wird das gesamte Panel in einzelne unabhängige Packaging-Körper geschnitten und schließlich mit dem Packaging-Substrat verbunden.
Dieser Prozess scheint lediglich den runden Wafer durch ein rechteckiges Panel zu ersetzen, tatsächlich stellt jeder Abschnitt neue Anforderungen an die Ausrüstung.
Beispielsweise vergrößert sich die Panelgröße laut den Unterlagen schrittweise von 310 × 310 mm auf 515 × 510 mm. Die Gesamtfläche des letzteren überschreitet das 3,5-fache eines 300-Millimeter-Wafers, und bei der Anordnung rechteckiger Packaging-Körper kann das rechteckige Panel den Flächenverlust im Randbereich des runden Wafers reduzieren.
Mit der Vergrößerung des Panels nimmt die Fläche zu, die bei einer einzigen Verarbeitung abgedeckt werden kann, aber die Ausrüstung muss gleichzeitig Probleme wie präzise Montage, großflächiges Schneiden und Verzug der Packaging-Körper lösen. Genau das ist der Grund, warum CoPoS eine neue Runde der Ausrüstungsnachfrage auslöst.
Drei Ausrüstungstypen erhalten zuerst neue Anwendungsnachfrage
In diesem Verfahren sind die Chip-Montage, das Panel-Schneiden nach dem Formen sowie die Verbindung von Packaging-Körpern und Substraten drei beachtenswerte Abschnitte.
Zuerst die TC-Heißpress-Bondmaschine im 40-Millimeter-Bereich.
Nach Abschluss der RDL-Herstellung müssen GPU-Chips und HBM-Stapel einzeln an den vorgesehenen Positionen montiert werden. Die in den Unterlagen angegebene repräsentative Größe beträgt: GPU-Chip ca. 26 × 33 mm, HBM-Stapel ca. 11 × 12 mm, Abstand der Mikrobumps ca. 25 bis 40 µm, Ausrichtgenauigkeit der Montage ca. ±1 bis 2 µm.
Diese Art der Montage erfordert, dass die Ausrüstung die Verbindung durch Erhitzen und Druckausübung abschließt. Die TC-Bondmaschine im 40-Millimeter-Bereich dient dazu, den Bedarf an der Chip-Montage in dieser Phase zu decken. Da auf einem Panel eine große Anzahl von Montagevorgängen durchgeführt werden muss, muss die Produktionslinie mit entsprechender Bondkapazität ausgestattet werden, wenn die Panel-Produktionsmenge steigt.
Nach Abschluss der Chip-Montage wird die Packaging-Struktur noch geformt, bevor der temporäre Glasträger abgelöst wird. Anschließend muss die Ausrüstung das große geformte Panel in unabhängige Packaging-Körper schneiden.
Dieser Abschnitt entspricht dem MSVP-System.
MSVP steht vollständig für Micro SAW & VISION PLACEMENT und integriert Funktionen wie Schneiden, Reinigen, Prüfen und Platzieren. Laut den Unterlagen beträgt die Größe der durch CoPoS gebildeten unabhängigen Packaging-Körper etwa 69 bis 90 mm quadratisch, ihre Fläche entspricht etwa dem 5,5- bis 9,5-fache des Belichtungsfeldes einer einzelnen Lithographie-Maske.
Im Vergleich zu herkömmlichen Packaging-Substraten enthält diese Art von Struktur gleichzeitig dünne RDL, Formmaterial und Chips, sodass beim Schneiden der Verarbeitungsprozess präziser gesteuert werden muss. Daher bietet das Panel-Level-Packaging neue Anwendungsszenarien für MSVP-Ausrüstung.
Der dritte Ausrüstungstyp ist die TC-Bondmaschine im 120-Millimeter-Bereich, die für die Verbindung von Packaging-Körpern und Substraten verwendet wird.
Nach dem Schneiden muss jeder GPU- und HBM-Packaging-Körper einzeln mit dem organischen Packaging-Substrat verbunden werden, anstatt das gesamte Panel auf einmal mit dem Substrat zu verbinden. Laut den Unterlagen beträgt die Substratgröße etwa 100 bis 120 mm, der Abstand der C4-Lötbumps etwa 100 bis 130 µm, die Ausrichtgenauigkeit etwa ±10 µm.
Im Vergleich zum vorherigen Chip-Montagevorgang sind die Anforderungen an die Ausrichtgenauigkeit in diesem Abschnitt relativ gering, die eigentliche Schwierigkeit liegt in der Verzugskontrolle bei der großflächigen Bondung. Packaging-Körper und Substrat können sich während des Erhitzens in unterschiedlichem Maße verformen, daher muss die Temperatur- und Druckgleichmäßigkeit im großflächigen Bereich so weit wie möglich gewährleistet werden.
Die TC-Bondmaschine im 120-Millimeter-Bereich ist genau auf diesen Bedarf zugeschnitten. Es ist zu klären, dass 120 mm die Obergrenze der Bondflächenkapazität der Ausrüstung bedeutet, nicht dass derzeit ein einzelner Packaging-Körper bereits eine Breite von 120 mm erreicht.
Was das Hybrid-Bonden betrifft, so ist laut Infomarket sein Anwendungsbereich in diesem organischen RDL-Panel-Level-Verfahren relativ begrenzt. Der Grund liegt darin, dass feine RDL-Leitbahnen nicht automatisch bedeuten, dass die Oberfläche von Natur aus die Ebenheitsanforderungen für das Hybrid-Bonden erfüllt, und organische Panels können nicht direkt als mit geeigneten behandelten Wafern gleichwertige Bondbedingungen angesehen werden. Daher eignet sich das Hybrid-Bonden eher für bestimmte Schnittstellen, bei denen es wirklich erforderlich ist.
Vom temporären Glasträger zum permanenten Glassubstrat
Wenn CoPoS zuerst den Produktionsträger des Packaging verändert, dann ist die nächste beachtenswerte Veränderung, dass Glas vom temporären Träger zu einem Teil der eigentlichen Packaging-Struktur wird.
Derzeit wird das Glas in CoPoS nach Abschluss der RDL-Herstellung, Chip-Montage und Formung durch Laser auf die Ablöseschicht einwirken lassen, um den Glasträger abzulösen. Wenn in der Folge ein Glaskernsubstrat verwendet wird, wird Glas nicht mehr nur zur Unterstützung des Verarbeitungsprozesses genutzt, sondern zu einem Teil des endgültigen Packaging-Substrats.
Der Gedanke des Glaskernsubstrats besteht darin, Glas anstelle der Kernschicht im herkömmlichen organischen Packaging-Substrat zu verwenden. Laut den Unterlagen beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas etwa 3 bis 9 ppm/K, während der der organischen Kernschicht etwa 15 bis 17 ppm/K beträgt. Der niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizient und die höhere Ebenheit dürften dazu beitragen, den Verzug von großformatigen Packaging zu steuern.
Einen Schritt weiter geht das Glas-Interposer. In diesem Konzept wird die RDL direkt auf Glas hergestellt, das Glas verbleibt in der endgültigen Struktur und stellt vertikale elektrische Verbindungen durch kupfergefüllte Glas-Durchkontaktierungen (TGV) bereit. Wenn diese Architektur realisiert werden kann, können einige Arbeitsgänge zum Ablösen des temporären Trägers und zugehörige Transferprozesse voraussichtlich entfallen.
Allerdings stehen Glaskernsubstrate und Glas-Interposer vor unterschiedlichen technischen Herausforderungen. Ersteres muss zuerst Probleme bei Material, Verarbeitung, Verzug und Serienprüfung lösen; Letzteres muss zudem feine Leitbahnen im Bereich von etwa 2 Mikrometer auf Glas realisieren und mit dem TGV-Verfahren kombinieren, was höhere technische Anforderungen stellt.
Glas selbst ist relativ spröde, was auch die Konstruktionsanforderungen der Ausrüstung verändert. Das Schneiden kann sich vom herkömmlichen Sägeschnitt zu einer kontrollierten Trennung nach Lasermodifikation verlagern, und die Bondausrüstung muss das Glas fixieren und gleichzeitig Risse und Beschädigungen vermeiden.
Samsung Electro-Mechanics hat bereits eine Pilotlinie für Glassubstrate aufgebaut und öffentlich ein Serienproduktionsziel für 2027 vorgegeben; LG Innotek hat ebenfalls die Entwicklung von Glassubstraten angekündigt. Infomarket erwähnt zudem, dass Samsung Electro-Mechanics das Konzept des organischen RDL-Interposers erforscht.
Diese beiden Routen müssen unterschieden werden: Der organische RDL-Interposer befindet sich unter den Chips, während das Glaskernsubstrat der Kernschicht im Inneren des Packaging-Substrats entspricht. Für Hersteller, die bereits im FC-BGA-Substratgeschäft tätig sind, wird es eine unterschiedliche strategische Entscheidung sein, in Zukunft weiter in die Herstellung von RDL und Interposern einzusteigen oder vorrangig Glaskernsubstrate zu entwickeln.
HBM und optische Interkonnektionen treiben ebenfalls die Vergrößerung der Packaging-Abmessungen voran
Dass die Packaging-Panels immer größer werden, hat noch einen wichtigen Grund: Die Integrationsweise von GPU und HBM verändert sich.
Mit der Entwicklung von HBM zu Stapeln mit 12 und 16 Schichten wird die zunehmende Stapelhöhe die Ausbeute und das Wärmemanagement schwieriger machen. Laut Infomarket besteht ein anderer Gedanke darin, mehr HBM-Stapel horizontal um die GPU herum anzuordnen, anstatt die Kapazität vollständig durch Erhöhung der Höhe eines einzelnen Stapels zu steigern.
Auf diese Weise muss die Packaging-Struktur mehr horizontal verteilte Chips und Speicher aufnehmen. Laut den Unterlagen könnte Glas ein geeignetes Trägermaterial sein, um Leitbahnen mit einer Breite von etwa 2 Mikrometer auf einer etwa 30 cm breiten Struktur zu realisieren und gleichzeitig den Verzug zu steuern.
Die Vergrößerung der Packaging-Abmessungen führt auch zu Problemen bei der Interkonnektion. Wenn der Abstand zwischen GPU und Speicher stetig zunimmt, steht die Signalintegrität der Kupferinterkonnektionen unter größerem Druck. Laut den Unterlagen können bei Frequenzen von mehreren zehn GHz selbst Kupferinterkonnektionen mit einer Länge von nur wenigen Zentimetern deutlichen Einschränkungen unterliegen.
Daher dürfte die optische Interkonnektion zu einer Option werden, um Chips und Speicher über größere Entfernungen zu verbinden. Glas kann Lichtwellenleiter aufnehmen und bietet zudem eine potenzielle Grundlage für die Integration optischer Interkonnektionen.
Nach der Beurteilung von Infomarket dürfte die Branche zuerst großformatige Glas-Packaging-Plattformen entwickeln und dann schrittweise optische Interkonnektionen einführen. Mit anderen Worten: Die Nachfrage nach optischen Interkonnektionen betrifft nicht nur die optischen Bauelemente selbst, sondern kann auch die Materialauswahl und Strukturauslegung der Packaging-Plattform beeinflussen.
Woher kommt der Markt mit einem Volumen von mehreren zehn Billionen Won?
Wie groß die Ausrüstungschancen letztendlich sein können, hängt vom Nachfragevolumen des fortschrittlichen Packaging und davon ab, ob die Verfahrensumstellung wirklich umgesetzt werden kann.
Das von Infomarket vorgelegte Szenario lautet: Angenommen, Nvidia liefert im Jahr 2027 mehrere Millionen Rubin-Generation-1-GPUs aus, wobei jede GPU-Packaging mit 8 Gruppen von HBM-Stapeln ausgestattet ist. Wenn die Kosten für Interposer, Packaging-Substrat, Bonden, Schneiden und Prüfen mit eingerechnet werden, können die Kosten für ein einzelnes Packaging mehrere tausend Dollar erreichen, was einem jährlichen Packaging-Marktvolumen von mehreren zehn Billionen Won entsprechen kann.
Dies ist eine Schätzung auf der Grundlage von Annahmen zu Auslieferungsmengen und Packaging-Kosten, keine bereits realisierten Markteinnahmen.
Aber das erklärt auch, warum das Panel-Level-Packaging Beachtung findet. Für große Packaging, die GPU und mehrere Gruppen von HBM integrieren müssen, ist die Erhöhung der Flächenausnutzung des Panels nur eine Überlegung; mit der Vergrößerung der Packaging-Struktur ändern sich auch die Verfahrensanforderungen an Montage, Schneiden, Prüfung und Substratverbindung.
Wenn in der Folge weiter zu permanenten Glasstrukturen entwickelt wird, dürfte die Branche eine zweite Runde von Ausrüstungsinvestitionen erleben. Auf der Materialseite betrifft die Nachfrage Glasträger, Ablöseschichten, ultradünne Kupferfolien, dielektrische Folien, Formmaterial, Glaskernmaterial und TGV-bezogene Materialien; auf der Ausrüstungsseite gehören dazu TC-Bondmaschinen, MSVP, Laserablöseausrüstung, Panel-Lithographieausrüstung und Galvanisierungssysteme.
Laut Infomarket hat ein koreanischer Lieferant bereits Bestellungen für großflächige TC-Bondmaschinen erhalten und diese an Taiwan ausgeliefert, während er gleichzeitig beginnt, Samsung Electro-Mechanics und LG Innotek mit präzisen MSVP-Ausrüstungen zu beliefern. Der Originaltext nennt weder den genauen Namen dieses Lieferanten noch den Auftragswert.
Aus einer größeren industriellen Perspektive dehnt sich die Kapazität für fortschrittliches Packaging auch auf die USA aus. TSMC hat