Chất nền thủy tinh là gì? Hướng dẫn toàn diện về công nghệ quan trọng này, công nghệ đang thay thế chất nền hữu cơ và cách mạng hóa điện toán AI. - HonWay Materials - Thương hiệu hàng đầu tại Đài Loan về công cụ mài và đánh bóng kim cương

Khi làn sóng trí tuệ nhân tạo (AI) lan rộng toàn cầu, nhu cầu về hiệu năng chip từ các mô hình ngôn ngữ lớn và điện toán hiệu năng cao (HPC) đang tăng lên theo cấp số nhân. Tuy nhiên, ngành công nghiệp bán dẫn đang phải đối mặt với một thực tế vật lý khắc nghiệt—Định luật Moore đang dần đi đến hồi kết.

Để tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn vào không gian hạn chế, các nhà sản xuất chip đã chuyển từ thiết kế phẳng 2D sang xếp chồng 3D, và yếu tố quyết định trong cuộc đua này đã chuyển từ chính quá trình sản xuất chip sang “công nghệ đóng gói tiên tiến”. Trong cuộc cách mạng công nghệ này, một công nghệ được coi là “yếu tố thay đổi cuộc chơi” đang nổi lên: chất nền thủy tinh. Các nhà sản xuất lớn cũng đang lên kế hoạch tương ứng, với dự kiến sản xuất hàng loạt từ năm 2026 đến năm 2030. Vậy chất nền thủy tinh chính xác là gì? Tại sao chúng có thể trở thành vị cứu tinh của kỷ nguyên AI? Bài viết này sẽ đưa bạn đi sâu vào phân tích.

Mục lục

Vượt qua giới hạn của bao bì: Sự tiến hóa công nghệ từ chất mang hữu cơ đến chất nền thủy tinh

Tấm nền bán dẫn là “nền tảng” không thể thiếu trong các quy trình đóng gói bán dẫn, được sử dụng để cố định các chip đã cắt và kết nối các mạch ngoài. Tấm nền càng hỗ trợ nhiều chip, tổng số bóng bán dẫn và hiệu năng càng cao. Nhìn lại lịch sử phát triển bán dẫn, vật liệu nền đã trải qua hai sự chuyển đổi lớn: từ khung dẫn điện (lead frames) vào những năm 1970, đến chất nền gốm thay thế chúng vào những năm 1990, và hiện nay là chất nền vật liệu hữu cơ phổ biến nhất.

1. Khung chì: Đây là công nghệ đóng gói truyền thống nhất và có chi phí thấp nhất. Nó bao gồm một khung kim loại mỏng (thường là đồng hoặc hợp kim sắt-niken) với các chân dẫn dạng “lược”.

Nguyên lý hoạt động: Con chip được đặt ở trung tâm của khung, và các tín hiệu trên chip được kết nối với các chân của khung thông qua phương pháp hàn dây.
Ưu điểm: Chi phí cực thấp, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, và quy trình sản xuất đã hoàn thiện.
Nhược điểm: Kích thước tương đối lớn và không thể xử lý các chip điện toán tiên tiến với mật độ cao và nhiều điểm tiếp xúc.
Ứng dụng: Thường được tìm thấy trong các IC quản lý nguồn, thiết bị điện tử ô tô và các chip thiết bị gia dụng truyền thống.

2. Chất nền gốm: Ví dụ như alumina hoặc nhôm nitrua, nổi tiếng với độ ổn định nhiệt và tính chất cách nhiệt tuyệt vời.

Đặc điểm: Gốm sứ này có khả năng chịu nhiệt độ cao rất tốt, và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của nó rất gần với hệ số giãn nở nhiệt của tấm wafer, điều này có thể ngăn ngừa hư hỏng wafer do giãn nở không đều trong quá trình thay đổi nhiệt độ nóng và lạnh.
Ưu điểm: Khả năng chịu nhiệt tuyệt vời, cách điện tốt và độ ổn định vật lý cực cao trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
Nhược điểm: Đắt tiền, dễ vỡ và tương đối phức tạp trong sản xuất.
Ứng dụng: Đèn LED công suất cao, điện tử hàng không vũ trụ, mô-đun nguồn xe điện (IGBT), truyền thông tần số cao.

3. Chất nền hữu cơ (Chất nền IC): Đây là chất nền được sử dụng phổ biến nhất trong các chip điện thoại thông minh và máy tính thông dụng. Các ví dụ nổi tiếng nhất là chất nền BT và chất nền ABF.

Thành phần: Sản phẩm được cấu tạo từ nhựa epoxy và các vật liệu hữu cơ như sợi thủy tinh.
lợi thế:
- Mật độ đi dây cao: Có thể bố trí đường dây dày đặc trong một diện tích rất nhỏ.
- Mỏng nhẹ: Phù hợp với các thiết bị di động.
Nhược điểm: Khả năng tản nhiệt kém hơn so với gốm sứ và dễ bị biến dạng do nhiệt (vấn đề cong vênh).
Ứng dụng: Bộ xử lý điện thoại di động, GPU card đồ họa, CPU máy tính (chất nền ABF hiện là vật liệu chiến lược quan trọng).

4. Đế thủy tinh: Đây là ngôi sao đang lên trong lĩnh vực bao bì và là công nghệ thế hệ mới đang được tích cực phát triển.

Lý do cần thiết: Khi chip AI ngày càng lớn và nhanh hơn, các chất nền hữu cơ truyền thống sẽ bị biến dạng do nhiệt độ không đồng đều.
lợi thế:
- Độ phẳng cực cao: Nó có thể khắc các đường nét mảnh hơn cả trên chất nền hữu cơ.
- Độ bền nhiệt cao: Không dễ bị biến dạng.
- Tích hợp: Cho phép nhiều chip được đóng gói sát nhau hơn.
Nhược điểm: Rào cản kỹ thuật cực kỳ cao và chi phí hiện tại rất đắt đỏ.
Ứng dụng: Các chip điện toán AI cao cấp và bộ xử lý máy chủ trong tương lai.

Hiện nay, với sự bùng nổ nhu cầu về trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán hiệu năng cao, các chất nền hữu cơ truyền thống (được làm từ vật liệu giống PCB được ép với sợi thủy tinh) đang dần bộc lộ những hạn chế của chúng. Mặc dù chất nền hữu cơ có ưu điểm là dễ gia công và truyền tải tốc độ cao, nhưng sự khác biệt đáng kể về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa chúng và chip là một nhược điểm chí mạng. Ở nhiệt độ cao, sự khác biệt về tốc độ giãn nở giữa hai vật liệu này dễ dẫn đến đứt kết nối. Do đó, để tránh quá nhiệt và cháy chip, chip phải bị giảm tốc độ một cách cưỡng bức thông qua “điều tiết nhiệt”, dẫn đến việc không thể duy trì hiệu năng cao nhất trong thời gian dài. Hơn nữa, vật liệu hữu cơ dễ bị biến dạng khi được mở rộng quy mô, làm hạn chế nghiêm trọng mật độ transistor. Vì vậy, công nghệ “chất nền thủy tinh” mới đã xuất hiện để giải quyết những vấn đề này.

Chất nền thủy tinh là gì?

Nói một cách đơn giản, “chất nền thủy tinh” là một loại vật liệu lõi mới được sử dụng để đóng gói chip. Mục tiêu của nó là thay thế các loại nhựa hữu cơ truyền thống, chẳng hạn như chất nền nhựa epoxy nhiệt rắn ABF, bằng các vật liệu thủy tinh đặc biệt.

Trong quy trình đóng gói chip, chất nền đóng vai trò là “nền tảng”, được sử dụng để giữ các chip trần được cắt từ tấm wafer và để kết nối chip với mạch điện bên ngoài. Theo truyền thống, chúng ta đã tiến bộ từ khung dẫn và chất nền gốm đến các chất nền vật liệu hữu cơ phổ biến nhất hiện nay. Mặt khác, chất nền thủy tinh tận dụng các đặc tính vật lý tuyệt vời của thủy tinh và công nghệ xuyên thủy tinh (TGV) để cho phép đấu dây mạch chính xác hơn, biến chúng thành công nghệ chủ chốt để hiện thực hóa công nghệ đóng gói mật độ cao thế hệ tiếp theo.

Sự khác biệt giữa chất nền thủy tinh và chất mang hữu cơ

Bảng dưới đây so sánh chi tiết sự khác biệt giữa các chất nền thủy tinh thế hệ mới và các chất nền hữu cơ phổ biến hiện nay (như ABF) về các đặc tính vật lý, hiệu suất và khả năng thương mại hóa:

	chất nền thủy tinh (Glass Substrate)	Tấm bìa cứng hữu cơ (Organic Substrate / ABF)
Vật liệu chính	Chất liệu kính đặc biệt.	Nhựa hữu cơ (như ABF), vật liệu nhiều lớp dệt bằng sợi thủy tinh.
độ phẳng	Độ phẳng cực cao. Đặc tính siêu phẳng này rất có lợi cho việc lấy nét trong in thạch bản và khắc chính xác, giảm khả năng biến dạng mẫu đến 50%.	Chất lượng thấp hơn. Bề mặt thô ráp hơn và dễ bị biến dạng trong quá trình gia công.
Mật độ kết nối	Hiệu suất cực cao (cải thiện gấp 10 lần). Khoảng cách giữa các chân chip TGV có thể nhỏ hơn 100 micromet, cho phép đặt nhiều hơn 50% chip trên cùng một diện tích.	Do đặc tính vật lý của vật liệu, số lượng lỗ thông hơi và mật độ dây dẫn thấp hơn nhiều so với kính.
Độ ổn định nhiệt (CTE)	Tuyệt vời. Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của nó gần bằng với hệ số giãn nở nhiệt của tấm silicon, và nó có thể chịu được nhiệt độ trên 700°C, giúp giảm thiểu hiện tượng biến dạng ở nhiệt độ cao.	Kém. Sự khác biệt so với hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của chip quá lớn, khiến nó dễ bị giãn nở và biến dạng ở nhiệt độ cao, dẫn đến hỏng kết nối.
Tiêu thụ tín hiệu và điện năng	Tổn thất thấp, tốc độ cao. Hằng số điện môi thấp, suy hao tín hiệu thấp; độ dày có thể giảm một nửa, dẫn đến tiêu thụ điện năng thấp hơn.	Tổn thất ở tần số cao là đáng kể. Việc kiểm soát nhiệt độ đòi hỏi phải điều tiết nhiệt, điều này hạn chế thời gian chip có thể duy trì hiệu suất cao nhất.
Khả năng kích thước	Nó có thể được sản xuất trên diện tích cực lớn. Nó hỗ trợ kích thước lõi lớn như 120×120 mm, đáp ứng nhu cầu của các mô-đun AI siêu lớn.	Hạn chế về kích thước. Rất khó để tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn trong một kích thước có hạn, và các bóng bán dẫn lớn dễ bị biến dạng.
Mức độ hoàn thiện công nghệ và chi phí	Trong giai đoạn phát triển, chi phí tương đối cao. Những thách thức bao gồm việc khoan ống TGV và độ bám dính kim loại; dự kiến sản xuất hàng loạt sẽ diễn ra từ năm 2026 đến năm 2030.	Đây là một công nghệ đã hoàn thiện với chi phí tương đối thấp. Nó dễ gia công và đại diện cho tiêu chuẩn ngành hiện tại cũng như xu hướng chủ đạo của thị trường.

Tại sao nó lại trở thành một công nghệ mới được quan tâm?

Sự phát triển nhanh chóng của chất nền thủy tinh trong ngành công nghiệp bán dẫn chủ yếu xuất phát từ những hạn chế vật lý của các công nghệ hiện có và mong muốn đạt hiệu năng tối ưu của thế hệ trí tuệ nhân tạo (AI). Khi việc thu nhỏ transistor tiến gần đến giới hạn vật lý, tốc độ tiến bộ của Định luật Moore chậm lại, thúc đẩy ngành công nghiệp chuyển sang công nghệ chiplet và đóng gói 3D để tìm kiếm những đột phá. Tuy nhiên, sức mạnh tính toán khổng lồ cần thiết cho việc huấn luyện và suy luận AI đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể về kích thước chip và mức tiêu thụ điện năng. Các chất nền truyền thống thường gặp khó khăn trong việc khắc phục các thách thức về biến dạng do nhiệt độ cao và truyền tín hiệu khi hỗ trợ các gói có diện tích lớn như vậy. Chất nền thủy tinh, với khả năng hỗ trợ cấu trúc và truyền tín hiệu vượt trội, giải quyết hoàn hảo những thách thức này, trở thành yếu tố quan trọng trong việc hỗ trợ các công nghệ đóng gói tiên tiến và tiếp tục thúc đẩy sự tăng trưởng hiệu năng của chip.

Ưu điểm của chất nền thủy tinh

So với các vật liệu truyền thống, chất nền thủy tinh thể hiện những ưu điểm vượt trội về mặt vật lý và điện, chủ yếu ở các khía cạnh sau:

Độ phẳng tối ưu và mật độ kết nối cao: Thủy tinh sở hữu độ phẳng vượt trội, cải thiện đáng kể độ sâu tiêu điểm của các quy trình quang khắc và cho phép khắc chính xác hơn. Điều này cho phép giảm khoảng cách giữa các lỗ xuyên (TGV) xuống còn trong phạm vi 100 micromet, trực tiếp làm tăng mật độ kết nối lên 10 lần. Trên cùng một diện tích, chất nền thủy tinh có thể chứa nhiều hơn 50% chip, làm tăng đáng kể số lượng bóng bán dẫn trong gói.
Độ ổn định nhiệt và độ tin cậy tuyệt vời: Thủy tinh có thể chịu được nhiệt độ trên 700°C, và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của nó rất gần với hệ số giãn nở nhiệt của tấm silicon. Điều này giải quyết được vấn đề dễ bị giãn nở và biến dạng của các vật liệu hữu cơ truyền thống, giảm 50% khả năng biến dạng cấu trúc ở nhiệt độ cao, giảm đáng kể nguy cơ vỡ tấm wafer và đảm bảo độ tin cậy của kết nối.
Truyền tải tốc độ cao và duy trì hiệu suất tối đa: Nhờ tổn hao điện môi thấp và đặc tính tản nhiệt tuyệt vời, chất nền thủy tinh không chỉ truyền tín hiệu nhanh hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn mà còn cho phép chip duy trì hiệu suất tối đa trong thời gian dài hơn, tránh việc giảm tốc độ đột ngột do quá nhiệt (giảm hiệu suất do quá nhiệt).
Tiềm năng đóng gói mỏng hơn và lớn hơn: Độ dày của chất nền thủy tinh có thể giảm xuống khoảng một nửa, điều này có lợi cho việc chế tạo các thiết bị mỏng hơn và nhẹ hơn. Đồng thời, ngành công nghiệp đang phát triển các lõi thủy tinh siêu lớn như 120×120 mm, phá vỡ giới hạn kích thước của chất nền hữu cơ và đáp ứng hoàn hảo nhu cầu đóng gói của các mô-đun AI siêu lớn.

Ứng dụng của chất nền thủy tinh

Dựa trên những ưu điểm nêu trên, chất nền thủy tinh sẽ chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực có yêu cầu cực kỳ cao về “hiệu năng” và “tính tích hợp”:

Bộ tăng tốc AI và HPC (Máy tính hiệu năng cao): Đây là nhu cầu cấp thiết nhất. Việc ghép chip diện tích lớn và xếp chồng HBM (Bộ nhớ băng thông cao) đáp ứng yêu cầu về sức mạnh tính toán để huấn luyện các mô hình lớn.
CPO (Common Packaging Optics) và Tích hợp quang điện tử: Thủy tinh trong suốt và lý tưởng để nhúng các ống dẫn sóng quang, điều này rất quan trọng đối với các trung tâm dữ liệu đang tìm kiếm các kết nối quang học độ trễ thấp và truyền thông 6G trong tương lai.
Nền tảng đóng gói 3D tiên tiến: Là một bo mạch chủ lõi kích thước lớn dành cho fan-out hoặc RDL, nó hỗ trợ các mô-đun đa chip phức tạp.
Thiết bị điện tử tiêu dùng cao cấp: Mặc dù hiện tại chi phí cao, nhưng trong trung và dài hạn, nếu có nhu cầu về máy tính xách tay, máy tính bảng hoặc điện thoại di động mỏng nhẹ hơn với khả năng tản nhiệt cực tốt, thì phân khúc này cũng sẽ được đánh giá và áp dụng.

Những thách thức mà chất nền thủy tinh sẽ phải đối mặt trong tương lai

Mặc dù triển vọng ứng dụng của chất nền thủy tinh rất hứa hẹn, nhưng vẫn còn một số rào cản công nghệ và công nghiệp cần phải vượt qua trước khi chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất hàng loạt quy mô lớn. Rào cản nổi bật nhất là đặc tính vật liệu vốn có của chính thủy tinh; tính chất dễ vỡ của nó khiến quá trình sản xuất và xử lý trở nên vô cùng khó khăn. Giảm tỷ lệ vỡ và duy trì năng suất dây chuyền sản xuất là những vấn đề mà phía sản xuất phải giải quyết.

Ngoài ra, công nghệ dẫn điện xuyên kính (TGV) cốt lõi cũng rất phức tạp. Nó không chỉ đòi hỏi phải khoan chính xác các lỗ nhỏ trên kính và lấp đầy chúng một cách đồng đều bằng lớp kim loại dẫn điện, mà còn phải khắc phục vấn đề độ bám dính kém giữa giao diện kim loại và kính để đảm bảo kết nối ổn định và đáng tin cậy.

Về mặt thử nghiệm, vì hầu hết các thiết bị thử nghiệm truyền thống hiện có được thiết kế cho các vật liệu mờ đục, độ trong suốt cao và đặc tính phản xạ độc đáo của thủy tinh có thể dễ dàng dẫn đến biến dạng hoặc mất tín hiệu. Điều này buộc ngành công nghiệp phải phát triển các công nghệ đo lường và thử nghiệm quang học mới để đảm bảo độ chính xác.

Cuối cùng, việc tích hợp chuỗi cung ứng và kiểm soát chi phí cũng là những trở ngại lớn. So với hệ sinh thái chất nền hữu cơ đã phát triển hoàn thiện, mô hình hợp tác sản xuất chất nền thủy tinh, từ vật liệu và thiết bị đến các nhà máy đóng gói, vẫn đang trong quá trình điều chỉnh, dẫn đến chi phí sản xuất ban đầu cao. Đây đều là những thách thức to lớn mà ngành công nghiệp phải cùng nhau vượt qua trong vài năm tới.

Thông tin thêm về vật tư tiêu hao mài và đánh bóng kim cương Honway

Để tìm hiểu thêm về cách Acer có thể mang lại những lợi ích đột phá cho quy trình sản xuất chất bán dẫn của bạn, vui lòng nhấp vào liên kết sau để khám phá toàn bộ các vật tư tiêu hao mài và đánh bóng kim cương cũng như thông tin chi tiết về công nghệ của chúng tôi: