ガラス基板とは？有機基板に代わる、AIコンピューティングに革命をもたらすこの重要な技術についての包括的なガイド。 - HonWay Materials-台湾のダイヤモンド研削・研磨工具のトップブランド

人工知能（AI）の波が世界を席巻する中、大規模言語モデルや高性能コンピューティング（HPC）におけるチップ性能への需要は飛躍的に高まっています。しかし、半導体業界は厳しい物理的現実に直面しています。ムーアの法則は徐々に終焉に向かっているのです。

限られたスペースにより多くのトランジスタを詰め込むため、チップメーカーは2D平面設計から3D積層へと移行し、この競争の勝敗の決め手はチップ製造そのものから「先進パッケージング」へと移っています。この技術革新において、「ゲームチェンジャー」と目される技術が登場しています。それがガラス基板です。大手メーカーも計画を進めており、2026年から2030年にかけて量産開始が見込まれています。ガラス基板とは一体何なのでしょうか？なぜAI時代の救世主となり得るのでしょうか？この記事では、その詳細を深く掘り下げて解説します。

カタログ

包装の限界を打ち破る：有機キャリアからガラス基板への技術進化

ウェーハ基板は、半導体パッケージング工程において不可欠な「基盤」であり、ダイシングされたダイを固定し、外部回路を接続するために使用されます。基板に搭載できるチップ数が多いほど、トランジスタの総数と性能が向上します。半導体開発の歴史を振り返ると、基板材料は2つの大きな変遷を経てきました。1970年代のリードフレームから、1990年代にそれに取って代わったセラミック基板、そして現在最も普及している有機材料基板へと進化しました。

1. リードフレーム：最も伝統的かつ低コストのパッケージング技術です。薄い金属フレーム（通常は銅または鉄ニッケル合金）と「櫛形」のリードで構成されています。

仕組み：チップはフレームの中央に配置され、チップ上の信号はワイヤボンディングを介してフレームのピンに接続されます。
利点: コストが非常に低く、電気伝導性と熱伝導性が優れており、製造プロセスが成熟しています。
デメリット: 比較的大きく、高密度で複数の接点を持つ高度なコンピューティングチップを処理できません。
用途: 電源管理 IC、車載電子機器、従来の家電製品チップによく使用されます。

2. セラミック基板：優れた熱安定性と絶縁特性で知られるアルミナや窒化アルミニウムなど。

特徴: セラミックは高温耐性が非常に高く、熱膨張係数 (CTE) がウェハーの熱膨張係数に非常に近いため、高温と低温が交互に繰り返される際にウェハーが不均一に膨張して損傷するのを防ぐことができます。
利点: 優れた耐熱性、良好な絶縁性、高温高圧条件下での極めて高い物理的安定性。
デメリット: 高価で、脆くて壊れやすく、製造が比較的複雑です。
用途: 高出力 LED、航空宇宙電子機器、電気自動車パワーモジュール (IGBT)、高周波通信。

3. 有機基板（IC基板）：主流のスマートフォンやコンピュータチップで最も一般的に使用されている基板です。最も有名な例としては、BT基板とABF基板が挙げられます。

構成：エポキシ樹脂とガラス繊維などの有機材料で構成されています。
アドバンテージ：
- 高い配線密度:非常に狭い領域に高密度の配線を敷設できます。
- スリムで軽量：モバイルデバイスに最適です。
デメリット：セラミックほど熱を発散せず、熱により変形しやすい（反りの問題）。
用途: 携帯電話用プロセッサ、グラフィックカード GPU、コンピュータ CPU (ABF 基板は現在、重要な戦略材料です)。

4. ガラス基板：パッケージング分野の注目技術であり、積極的に開発が進められている次世代技術です。

必要な理由: AI チップが大型化、高速化するにつれ、従来の有機基板は加熱の不均一性により変形してしまいます。
アドバンテージ：
- 極めて高い平坦性：有機基板よりも微細なラインをエッチングできます。
- 高い熱安定性：変形しにくい。
- 統合: 複数のチップをより緊密にパッケージ化できます。
デメリット: 技術的障壁が非常に高く、現時点ではコストが高額です。
用途: 将来のハイエンド AI コンピューティングチップおよびサーバープロセッサ。

現在、AIや高性能コンピューティングの需要が爆発的に増加している中、主流の有機基板（PCBのような材料にガラス繊維を積層したもの）は徐々に限界を見せ始めています。有機基板は加工が容易で高速伝送が可能という利点があるものの、チップとの熱膨張係数（CTE）の大きな差が致命的な欠点となっています。高温下では、両者の膨張率の差が容易に接続部の断線につながる可能性があります。そのため、過熱や焼損を防ぐため、「サーマルスロットリング」によってチップを強制的に減速させる必要があり、その結果、長時間にわたってピーク性能を維持することが困難になります。さらに、有機材料はスケールアップすると反りやすく、トランジスタ密度を大きく制限します。そこで、これらの問題を解決するために登場したのが「ガラス基板」という新技術です。

ガラス基板とは何ですか？

簡単に言えば、「ガラス基板」とは、チップパッケージに使用される新しいタイプのコアキャリア材料です。ABF熱硬化性エポキシ樹脂基板などの従来の有機樹脂を特殊なガラス材料に置き換えることを目的としています。

チップパッケージング工程において、基板はウェハから切り出されたベアダイを保持し、チップと外部回路を接続するための「土台」の役割を果たします。従来、リードフレームやセラミック基板から、現在主流となっている有機材料基板へと進化を遂げてきました。一方、ガラス基板は、ガラスの優れた物性とTGV（ガラス貫通電極）技術により、より精密な回路配線を可能にし、次世代の高密度実装を実現するキーテクノロジーとなっています。

ガラス基板と有機キャリアの違い

以下の表は、次世代ガラス基板と現在主流の有機基板（ABF など）の物理的特性、性能、および商業化の観点からの違いを詳細に比較したものです。

	ガラス基板	有機基質（ABF）
主な材料	特殊なガラス素材。	有機樹脂（ABFなど）、ガラス織り積層板。
平坦さ	非常に高い。超平坦性はリソグラフィーのフォーカスや精密エッチングに有利で、パターン歪みの発生確率を50%低減します。	品質が低い。表面が粗く、加工中に反りが生じやすい。
相互接続密度	非常に高い（10倍の改善）。TGVピッチは100マイクロメートル未満にできるため、同じ面積に50%多くのチップを配置できます。	制限があります。材料の物理的特性により、開口部の数と配線密度はガラスに比べてはるかに低くなります。
熱安定性（CTE）	優れています。熱膨張係数（CTE）はシリコンウェーハに近く、700℃以上の温度にも耐えられるため、高温でも変形しにくいです。	不良。チップのCTEとの差が大きすぎるため、高温時に膨張や反りが生じやすく、接続不良につながります。
信号と電力消費	低損失、高速。低誘電率、低信号減衰。厚さを半分に減らすことができるため、消費電力も低減します。	高周波損失は顕著です。温度制御にはサーマルスロットリングが必要であり、チップが最高のパフォーマンスを維持できる時間が制限されます。
サイズ能力	超大面積での製造が可能。120×120mmといった大型コアサイズにも対応し、超大型AIモジュールのニーズに応えます。	サイズの制限。限られたサイズ内に多くのトランジスタを収容することは困難であり、大型のトランジスタは変形しやすくなります。
技術の成熟度とコスト	開発中のため、コストは比較的高くなっています。課題としては、TGVの掘削と金属の接着が挙げられますが、量産は2026年から2030年の間に開始される予定です。	比較的低コストで成熟した技術です。

なぜそれが注目される新しい技術となったのでしょうか?

半導体業界におけるガラス基板の急速な台頭は、既存技術の物理的な限界と、AI世代の究極の性能への渇望に起因しています。トランジスタの微細化が物理的限界に近づくにつれ、ムーアの法則の進歩ペースは鈍化し、業界はブレークスルーを求めてチップレットや3Dパッケージング技術へと目を向けるようになりました。しかし、AIのトレーニングと推論に必要な膨大な計算能力は、チップサイズと消費電力の劇的な増加につながっています。従来の基板では、このような大面積パッケージを支える際に、高温による反りや信号伝送の課題を克服することがしばしば困難でした。優れた構造的支持力と信号伝送能力を備えたガラス基板は、これらの課題を完璧に解決し、高度なパッケージング技術を支え、チップ性能の継続的な成長を支える重要な要素となっています。

ガラス基板の利点

従来の材料と比較すると、ガラス基板は主に以下の点で圧倒的な物理的および電気的利点を示します。

究極の平坦性と配線密度：ガラスは比類のない平坦性を誇り、フォトリソグラフィー工程の焦点深度を大幅に向上させ、より精密なエッチングを可能にします。これにより、ビア（TGV）間隔を100マイクロメートル以内に縮小でき、配線密度を10倍に向上させることができます。ガラス基板は、同じ面積で50%多くのダイを搭載できるため、パッケージ内のトランジスタ数を大幅に増加させることができます。
優れた熱安定性と信頼性：このガラスは700℃以上の温度に耐えることができ、熱膨張係数（CTE）はシリコンウェーハに非常に近い値です。これにより、従来の有機材料に見られるような膨張や反りといった問題を解決し、高温下でのパターン変形の可能性を50%低減し、ウェーハ破損のリスクを大幅に低減し、接続の信頼性を確保します。
高速伝送とピーク性能の維持: ガラス基板は誘電損失が低く、放熱性に優れているため、信号をより高速に伝送し、消費電力を抑えるだけでなく、チップが過熱による強制的な速度低下 (サーマルスロットリング) を回避して、ピーク性能をより長時間維持することができます。
より薄型・大型のパッケージングの可能性：ガラス基板の厚さを約半分に削減できるため、デバイスの薄型・軽量化に有利です。同時に、業界では120×120mmといった超大型ガラスコアの開発が進められており、有機基板のサイズ限界を突破し、AI超大型モジュールのパッケージングニーズに完璧に応えています。

ガラス基板の用途

上記の利点を踏まえ、ガラス基板は主に「性能」と「統合性」の要求が極めて高い分野で使用されます。

AIアクセラレータとHPC（高性能コンピューティング）：これは最も差し迫った需要です。大面積チッププレッティングとHBM（高帯域幅メモリ）スタッキングは、大規模モデルのトレーニングに必要な計算能力を満たします。
CPO (Common Packaging Optics) と光電子統合: ガラスは透明で、光導波路を埋め込むのに最適です。これは、低遅延の光相互接続と将来の 6G 通信を求めるデータセンターにとって重要です。
高度な 3D パッケージングプラットフォーム: ファンアウトまたは RDL 用の大型コアキャリアボードとして、複雑なマルチチップモジュールをサポートします。
ハイエンド家電：現在はコストが高いものの、中長期的には、より薄型・軽量で放熱性に優れたノートパソコン、タブレット、携帯電話の需要があれば、これも評価・採用されるでしょう。

ガラス基板の将来的な課題

ガラス基板の応用可能性は有望であるものの、研究室から大規模生産へと移行するには、依然としていくつかの技術的および産業的なハードルを克服する必要があります。最も顕著な課題は、ガラス自体の固有の材料特性です。その脆い性質により、製造および取り扱いプロセスは極めて困難になります。破損率の低減と生産ラインの歩留まり維持は、製造側が解決しなければならない課題です。

さらに、コアとなるガラス貫通ビア（TGV）技術も非常に複雑です。ガラスに微細な穴を正確に開け、導電性金属層で均一に埋め込むだけでなく、金属とガラスの界面の密着性が低いという問題を克服し、安定した信頼性の高い接続を確保する必要があります。

試験に関しては、既存の従来の試験装置のほとんどは不透明材料用に設計されているため、ガラスの高い透明性と独特の反射特性は信号の歪みや損失につながりやすい。そのため、業界は精度を確保するために新たな光学試験・測定技術の開発を迫られている。

既存のテストモードの試験装置は、不透明材料用に設計されており、高い透明性、独自の反射特性、信号歪みの低減を特徴としています。業界で最も正確で信頼性の高い新しい光学試験・測定技術です。

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