Wraz z globalnym rozkwitem sztucznej inteligencji (AI) zapotrzebowanie na wydajność układów scalonych w modelach wielojęzykowych i obliczeniach o wysokiej wydajności (HPC) rośnie wykładniczo. Jednak branża półprzewodników stoi w obliczu trudnej rzeczywistości fizycznej – prawo Moore’a stopniowo się kończy.
Aby zmieścić więcej tranzystorów w ograniczonej przestrzeni, producenci chipów przeszli z płaskich projektów 2D na układanie warstwowe 3D, a decydujący czynnik w tym wyścigu przesunął się z samej produkcji chipów na „zaawansowane obudowy”. W tej rewolucji technologicznej pojawia się technologia uważana za „przełomową”: szklane podłoża. Duzi producenci również opracowują podobne plany, a masowa produkcja spodziewana jest między 2026 a 2030 rokiem. Czym właściwie są szklane podłoża? Dlaczego mogą stać się wybawieniem ery sztucznej inteligencji? Ten artykuł przeprowadzi Cię przez dogłębną analizę.
Spis treści:
Przełamywanie ograniczeń w zakresie opakowań: ewolucja technologiczna od nośników organicznych do podłoży szklanych
Podłoże waflowe jest niezbędnym „fundamentem” w procesach pakowania półprzewodników, używanym do mocowania struktur i łączenia obwodów zewnętrznych. Im więcej chipów może obsłużyć podłoże, tym większa jest całkowita liczba tranzystorów i wydajność. Patrząc wstecz na historię rozwoju półprzewodników, materiały podłożowe przeszły dwie główne transformacje: od ramek wyprowadzeń w latach 70. XX wieku, przez podłoża ceramiczne, które zastąpiły je w latach 90. XX wieku, aż po najpopularniejsze obecnie podłoża z materiałów organicznych.
1. Rama wyprowadzeniowa: To najbardziej tradycyjna i najtańsza technologia pakowania. Składa się z cienkiej metalowej ramy (zazwyczaj miedzianej lub ze stopu żelaza z niklem) z wyprowadzeniami przypominającymi grzebień.
- Zasada działania: Układ scalony umieszczany jest w środku ramy, a sygnały na układzie scalonym są podłączone do pinów ramy za pomocą połączeń przewodowych.
- Zalety: wyjątkowo niski koszt, dobra przewodność elektryczna i cieplna oraz dojrzały proces produkcji.
- Wady: Jest stosunkowo duży i nie nadaje się do obsługi zaawansowanych układów komputerowych o dużej gęstości i wielu stykach.
- Zastosowania: Najczęściej spotykane w układach scalonych do zarządzania energią, elektronice samochodowej i tradycyjnych układach scalonych w urządzeniach gospodarstwa domowego.
2. Podłoże ceramiczne: takie jak tlenek glinu lub azotek glinu, znane ze swojej doskonałej stabilności termicznej i właściwości izolacyjnych.
- Cechy: Ceramika jest bardzo odporna na wysokie temperatury, a jej współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest bardzo zbliżony do współczynnika CTE płytki, co pozwala zapobiec uszkodzeniu płytki na skutek nierównomiernego rozszerzania się przy naprzemiennym działaniu wysokich i niskich temperatur.
- Zalety: Doskonała odporność na ciepło, dobra izolacja i wyjątkowo wysoka stabilność fizyczna w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia.
- Wady: drogie, kruche i delikatne, a także stosunkowo skomplikowane w produkcji.
- Zastosowania: diody LED dużej mocy, elektronika lotnicza i kosmiczna, moduły zasilające pojazdów elektrycznych (IGBT), komunikacja wysokoczęstotliwościowa.
3. Podłoże organiczne (podłoże IC): Jest to najczęściej stosowane podłoże w popularnych smartfonach i układach scalonych. Najbardziej znane przykłady to podłoże BT i podłoże ABF.
- Skład: Składa się z żywicy epoksydowej i materiałów organicznych, takich jak włókno szklane.
- korzyść:
- Duża gęstość okablowania: Umożliwia gęste rozmieszczenie okablowania na bardzo małej powierzchni.
- Smukły i lekki: odpowiedni do urządzeń mobilnych.
- Wady: Nie odprowadza ciepła tak dobrze jak ceramika i jest podatny na odkształcenia pod wpływem ciepła (problem odkształcania).
- Zastosowania: procesory telefonów komórkowych, procesory graficzne kart graficznych, procesory komputerowe (podłoża ABF są obecnie kluczowym materiałem strategicznym).
4. Podłoże szklane: Jest to wschodząca gwiazda w dziedzinie opakowań i technologia nowej generacji, która jest aktywnie rozwijana.
- Dlaczego jest to potrzebne: Wraz ze wzrostem rozmiarów i szybkości układów AI, tradycyjne podłoża organiczne ulegną odkształceniu z powodu nierównomiernego nagrzewania.
- korzyść:
- Bardzo wysoka płaskość: umożliwia wytrawianie linii cieńszych niż na podłożach organicznych.
- Wysoka stabilność termiczna: Nie ulega łatwo odkształceniom.
- Integracja: umożliwia ściślejsze upakowanie wielu układów scalonych.
- Wady: Bardzo wysokie bariery techniczne i obecnie wysokie koszty.
- Zastosowania: Przyszłe, zaawansowane układy obliczeniowe AI i procesory serwerowe.
Obecnie, wraz z gwałtownym wzrostem zapotrzebowania na sztuczną inteligencję i wysokowydajne systemy obliczeniowe, popularne podłoża organiczne (wykonane z materiałów przypominających PCB, laminowanych włóknem szklanym) stopniowo ujawniają swoje ograniczenia. Chociaż podłoża organiczne mają zalety łatwego przetwarzania i szybkiej transmisji, znaczna różnica między ich współczynnikami rozszerzalności cieplnej (CTE) a współczynnikami rozszerzalności cieplnej chipa stanowi zasadniczą wadę. W wysokich temperaturach różnica w współczynnikach rozszerzalności między nimi może łatwo doprowadzić do zerwania połączenia. Dlatego, aby uniknąć przegrzania i przepalenia, chip musi być siłą spowalniany poprzez „dławienie termiczne”, co uniemożliwia utrzymanie maksymalnej wydajności przez dłuższy czas. Ponadto materiały organiczne są podatne na odkształcanie podczas skalowania, co poważnie ogranicza gęstość tranzystorów. W związku z tym pojawiła się nowa technologia „podłoży szklanych”, która ma rozwiązać te problemy.
Czym jest podłoże szklane?
Mówiąc najprościej, „podłoże szklane” to nowy rodzaj materiału nośnego rdzenia, stosowanego do pakowania chipów. Jego celem jest zastąpienie tradycyjnych żywic organicznych, takich jak podłoża z termoutwardzalnej żywicy epoksydowej ABF, specjalnymi materiałami szklanymi.
W procesie pakowania chipów podłoże pełni rolę „fundamentu”, służącego do podtrzymywania gołych układów scalonych wyciętych z wafla oraz do łączenia chipa z obwodami zewnętrznymi. Tradycyjnie, od ramek wyprowadzeń i podłoży ceramicznych przechodziliśmy do najpopularniejszych podłoży z materiałów organicznych. Z kolei podłoża szklane wykorzystują doskonałe właściwości fizyczne szkła i technologii TGV (through-glass via), umożliwiając bardziej precyzyjne okablowanie obwodów, co czyni je kluczową technologią dla realizacji nowej generacji obudów o wysokiej gęstości.
Różnice między podłożami szklanymi a nośnikami organicznymi
Poniższa tabela szczegółowo porównuje różnice między podłożami szklanymi nowej generacji a obecnie stosowanymi podłożami organicznymi (takimi jak ABF) pod względem właściwości fizycznych, wydajności i możliwości komercjalizacji:
| Podłoże szklane | Substrat organiczny (ABF) | |
| Główne materiały | Specjalny materiał szklany. | Żywice organiczne (np. ABF), laminaty szklane. |
| płaskość | Niezwykle wysoka. Ultrapłaskie właściwości są korzystne dla ogniskowania litograficznego i precyzyjnego trawienia, zmniejszając prawdopodobieństwo zniekształcenia wzoru o 50%. | Niższa jakość. Powierzchnia jest szorstka i podatna na odkształcenia podczas obróbki. |
| Gęstość połączeń międzysystemowych | Bardzo wysoki (10-krotna poprawa). Odstęp między chipami TGV może wynosić mniej niż 100 mikrometrów, co pozwala na umieszczenie o 50% więcej chipów na tym samym obszarze. | Ze względu na właściwości fizyczne materiału, liczba otworów i gęstość okablowania są znacznie niższe niż w przypadku szkła. |
| Stabilność termiczna (CTE) | Doskonały. Jego współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest zbliżony do współczynnika wafli krzemowych i wytrzymuje temperatury powyżej 700°C, co czyni go mniej podatnym na odkształcenia w wysokich temperaturach. | Słabo. Różnica w stosunku do współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) układu scalonego jest zbyt duża, co sprawia, że jest on podatny na rozszerzanie i odkształcanie w wysokich temperaturach, co prowadzi do awarii połączenia. |
| Sygnał i pobór mocy | Niskie straty, wysoka prędkość. Niska stała dielektryczna, niskie tłumienie sygnału; grubość można zmniejszyć o połowę, co przekłada się na niższe zużycie energii. | Straty wysokoczęstotliwościowe są znaczące. Kontrola temperatury wymaga dławienia termicznego, które ogranicza czas, w którym układ może utrzymać najwyższą wydajność. |
| Możliwość rozmiaru | Można go wytwarzać w bardzo dużych obszarach. Obsługuje duże rozmiary rdzeni, takie jak 120×120 mm, spełniając potrzeby ultradużych modułów AI. | Ograniczenia rozmiaru. Trudno jest zmieścić więcej tranzystorów w ograniczonym rozmiarze, a duże tranzystory są podatne na odkształcenia. |
| Dojrzałość technologiczna i koszty | W trakcie rozwoju, koszty są stosunkowo wysokie. Wyzwania obejmują wiercenie w TGV i klejenie metali; masowa produkcja jest przewidywana między 2026 a 2030 rokiem. | To dojrzała technologia o stosunkowo niskich kosztach. Jest łatwa w przetwarzaniu i reprezentuje obecny standard branżowy i główny nurt rynkowy. |
Dlaczego stała się nową, interesującą technologią?
Szybki wzrost popularności podłoży szklanych w przemyśle półprzewodnikowym wynika przede wszystkim z fizycznych ograniczeń istniejących technologii oraz dążenia pokolenia sztucznej inteligencji do osiągnięcia najwyższej wydajności. W miarę jak miniaturyzacja tranzystorów zbliża się do swoich fizycznych granic, tempo postępu prawa Moore’a zwalnia, co skłania branżę do sięgania po technologie pakowania chipletów i 3D w celu osiągnięcia przełomu. Jednak ogromna moc obliczeniowa wymagana do szkolenia i wnioskowania sztucznej inteligencji doprowadziła do drastycznego wzrostu rozmiarów układów scalonych i poboru mocy. Tradycyjne podłoża często mają trudności z pokonaniem wyzwań związanych z odkształcaniem w wysokiej temperaturze i transmisją sygnału w przypadku tak dużych obudów. Podłoża szklane, dzięki swoim doskonałym właściwościom strukturalnym i transmisji sygnału, doskonale radzą sobie z tymi wyzwaniami, stając się kluczowym czynnikiem wspierającym zaawansowane technologie pakowania i ciągłym wzrostem wydajności układów scalonych.
Zalety podłoży szklanych
W porównaniu z materiałami tradycyjnymi, podłoża szklane wykazują ogromne zalety fizyczne i elektryczne, głównie w następujących aspektach:
- Najwyższa płaskość i gęstość połączeń: Szkło charakteryzuje się niezrównaną płaskością, co znacznie poprawia głębokość ogniskowania w procesach fotolitografii i umożliwia bardziej precyzyjne trawienie. Pozwala to na zmniejszenie odstępów między przelotkami (TGV) do 100 mikrometrów, co bezpośrednio zwiększa gęstość połączeń 10-krotnie. W tym samym obszarze podłoża szklane mogą pomieścić o 50% więcej układów scalonych, znacząco zwiększając liczbę tranzystorów w obudowie.
- Doskonała stabilność termiczna i niezawodność: Szkło wytrzymuje temperatury powyżej 700°C, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest bardzo zbliżony do współczynnika wafli krzemowych. Rozwiązuje to problem łatwego rozszerzania i odkształcania się tradycyjnych materiałów organicznych, zmniejsza prawdopodobieństwo deformacji wzoru w wysokich temperaturach o 50%, znacznie zmniejsza ryzyko pęknięcia wafli i zapewnia niezawodność połączenia.
- Szybka transmisja i utrzymanie szczytowej wydajności: Dzięki niskim stratom dielektrycznym i doskonałym właściwościom rozpraszania ciepła podłoża szklane nie tylko przesyłają sygnały szybciej i zużywają mniej energii, ale także pozwalają układom scalonym na utrzymanie szczytowej wydajności przez dłuższy czas, bez konieczności wymuszonego zmniejszenia prędkości z powodu przegrzania (dławienia termicznego).
- Potencjał w zakresie cieńszych i większych opakowań: Grubość podłoża szklanego można zmniejszyć o około połowę, co korzystnie wpływa na zmniejszenie grubości i masy urządzeń. Jednocześnie branża opracowuje ultraduże rdzenie szklane, takie jak 120×120 mm, przekraczając limity rozmiarów podłoży organicznych i idealnie spełniając potrzeby związane z pakowaniem ultradużych modułów AI.
Zalety podłoży szklanych
Ze względu na powyższe zalety podłoża szklane znajdą zastosowanie głównie w dziedzinach, w których obowiązują wyjątkowo wysokie wymagania dotyczące „wydajności” i „integracji”:
- Akceleratory AI i HPC (obliczenia o wysokiej wydajności): To najpilniejsze zapotrzebowanie. Chippleting wielkoobszarowy i układanie pamięci HBM (High-Bandwidth Memory) spełniają wymagania dotyczące mocy obliczeniowej niezbędne do trenowania dużych modeli.
- Akceleratory AI i HPC (obliczenia o wysokiej wydajności): To najpilniejsze zapotrzebowanie. Chippleting wielkoobszarowy i układanie pamięci HBM (High-Bandwidth Memory) spełniają wymagania dotyczące mocy obliczeniowej niezbędne do trenowania dużych modeli.
- Zaawansowana platforma do pakowania 3D: Jako płyta nośna rdzenia o dużych rozmiarach do rozgałęzień lub RDL, obsługuje złożone moduły wieloprocesorowe.
- Zaawansowana elektronika użytkowa: Mimo że obecnie koszty są wysokie, w średnio- i długoterminowej perspektywie, jeśli pojawi się popyt na cieńsze i lżejsze laptopy, tablety lub telefony komórkowe z ekstremalnym rozpraszaniem ciepła, takie rozwiązanie zostanie również ocenione i wdrożone.
Wyzwania stojące przed podłożami szklanymi w przyszłości
Pomimo obiecujących perspektyw zastosowania podłoży szklanych, przed przejściem z fazy laboratoryjnej do masowej produkcji na dużą skalę wciąż konieczne jest pokonanie szeregu przeszkód technologicznych i przemysłowych. Najpoważniejszym wyzwaniem są naturalne właściwości samego szkła; jego kruchość sprawia, że procesy produkcji i obsługi są niezwykle wymagające. Zmniejszenie liczby pęknięć i utrzymanie wydajności linii produkcyjnej to problemy, które muszą rozwiązać producenci.
Ponadto technologia rdzenia TGV (threading through glass via) jest również niezwykle złożona. Wymaga ona nie tylko precyzyjnego wiercenia drobnych otworów w szkle i równomiernego wypełnienia ich przewodzącą warstwą metalu, ale także rozwiązania problemu słabej przyczepności między powierzchnią styku metalu i szkła, aby zapewnić stabilne i niezawodne połączenie.
W kontekście testowania, ponieważ większość istniejącego, tradycyjnego sprzętu testowego jest przeznaczona do materiałów nieprzezroczystych, wysoka przezroczystość i wyjątkowe właściwości odblaskowe szkła mogą łatwo prowadzić do zniekształceń lub utraty sygnału. Zmusza to branżę do opracowywania nowych technologii testowania i pomiarów optycznych w celu zapewnienia dokładności.
Wreszcie, integracja łańcucha dostaw i kontrola kosztów stanowią również poważne przeszkody. W porównaniu z dojrzałym już ekosystemem podłoży organicznych, model współpracy w produkcji podłoży szklanych, od materiałów i sprzętu po zakłady pakujące, wciąż jest w fazie dostosowań, co skutkuje wysokimi początkowymi kosztami produkcji. To ogromne wyzwania, którym branża musi wspólnie sprostać w ciągu najbliższych kilku lat.
Więcej informacji na temat materiałów eksploatacyjnych do szlifowania i polerowania diamentowego Honway
Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak Honway może przynieść przełomowe korzyści dla Twoich procesów półprzewodnikowych, kliknij poniższe linki, aby zapoznać się z naszą pełną gamą materiałów eksploatacyjnych do szlifowania i polerowania diamentowego oraz szczegółami technicznymi:
- Seria diamentowych nanocieków polerskich Honway
- Precyzyjne pady szlifierskie i polerskie do wafli Honway
- Ściernice do płaskiego szlifowania wafli Honway
- Ściernice do szlifowania fazowego wafli krzemowych Honway
- Dao cắt mạ điện Honway Wafer
- Dao cắt bao bì bánh xốp Honway – dao mềm
- Dao cắt bao bì bánh wafer Honway – dao cứng
Możesz również bezpośrednio „skontaktować się z naszym zespołem ekspertów Honway”, a my zapewnimy najbardziej profesjonalną, spersonalizowaną konsultację i rozwiązania.
Przeczytaj więcej na powiązane tematy
- Podłoże diamentowe>>>Od biżuterii do półprzewodników: Diamenty odgrywają kluczową rolę w kolejnej generacji materiałów przewodzących ciepło
- Półprzewodniki złożone>>>Tajna broń precyzyjnej produkcji półprzewodników: diamentowe materiały eksploatacyjne do szlifowania i polerowania, skutecznie zwiększające wydajność i wydajność płytek!
- Szlifowanie i polerowanie półprzewodników>>>Szlifowanie i polerowanie w produkcji półprzewodników: od wyboru materiałów po zapewnienie materiałów eksploatacyjnych dla doskonałych procesów
- Materiały eksploatacyjne do szlifowania i polerowania>>>Innowacyjne materiały eksploatacyjne do szlifowania i polerowania: napędzają przemysł półprzewodników w kierunku wyższej precyzji
- Klucz do uzyskania ultrapłaskich płytek >>>„Cienka” nauka szlifowania i polerowania półprzewodników: klucz do uzyskania ultrapłaskich płytek
- Integracja heterogeniczna i zaawansowane pakowanie >>>Stawianie czoła przyszłości: w jaki sposób materiały eksploatacyjne do szlifowania i polerowania pomagają w integracji heterogenicznej i zaawansowanym pakowaniu
- Polerowanie półprzewodników złożonych>>>Opanowanie technologii polerowania półprzewodników złożonych: Osiąganie wysokiej wydajności w komponentach elektronicznych nowej generacji
- Szlifowanie półprzewodników złożonych>>>Koncentracja na SiC i GaN: Przełomy i wyzwania w technologii szlifowania i polerowania półprzewodników złożonych
W zakresie szlifowania oferujemy indywidualne dostosowanie. Możemy modyfikować proporcje zgodnie z Twoimi potrzebami, aby osiągnąć najwyższą wydajność.
Jeśli po przeczytaniu tekstu nadal nie wiesz, jak wybrać najbardziej odpowiedni produkt,
Zapraszamy do kontaktu, nasi specjaliści odpowiedzą na Twoje pytania.
Jeśli potrzebujesz wyceny, skontaktuj się z nami.
Godziny obsługi klienta: poniedziałek – piątek 09:00-18:00
Numer kontaktowy：07 223 1058
Jeśli masz jakieś pytania, zapraszamy do wysłania wiadomości prywatnej na Facebooku!
Nasza strona na FB：https://www.facebook.com/honwaygroup
Być może zainteresują cię inne artykuły…
[wpb-random-posts]
