La tendance de développement du substrat de verre

La demande de plaquettes informatiques et de mise en réseau hautes performances et durables pour l'intelligence artificielle (IA) a sans aucun doute augmenté les investissements en R&D et accéléré le rythme de l'innovation dans la technologie des semi-conducteurs. Avec le ralentissement de la loi de Moore au niveau de la puce, les gens souhaitent regrouper autant de Chiplets (petites puces) que possible dans un package ASIC (puce intégrée spécifique à l'application) afin de bénéficier des avantages de la loi de Moore au niveau du package.

Un package ASIC qui héberge plusieurs Chiplets se compose généralement d’un substrat organique. Il est fabriqué en résine (principalement un stratifié de résine époxy renforcée de fibres de verre) ou en plastique. En fonction de la technologie de conditionnement, les puces sont soit montées directement sur le substrat, soit une couche intermédiaire de silicium supplémentaire est ajoutée entre les puces pour obtenir des connexions à haut débit entre les Chiplets. Des ponts sont parfois intégrés à l'intérieur du substrat au lieu d'une couche intermédiaire pour fournir une connectivité à haut débit.

Le problème avec les substrats organiques est qu'ils ont tendance à se déformer, en particulier dans les grands emballages à haute densité de copeaux. Cela limite le nombre de puces dans le package. Et c’est là que le substrat à âme de verre (GCS, abréviation de « Substrat en verre ») peut changer la donne ! Il devrait jouer un rôle clé dans la prochaine génération de boîtiers de puces avancés.

Pourquoi un substrat en verre ?

Le verre en tant que matériau est largement étudié et intégré dans m

plusieurs industries de semi-conducteurs, et cette tendance représente une évolution significative dans la sélection de matériaux d’emballage avancés. Le verre présente plusieurs avantages par rapport aux matériaux organiques et céramiques.

Contrairement aux substrats organiques, qui constituent la technologie dominante depuis de nombreuses années, le verre possède une excellente stabilité dimensionnelle, une conductivité thermique et des propriétés électriques excellentes. Le substrat en verre, combiné à la couche de câblage au-dessus et au-dessous et à d'autres matériaux auxiliaires, est constitué conjointement du substrat, ce qui peut parfaitement résoudre les nombreux défauts du substrat organique actuel. De plus, le substrat en verre offre aux ingénieurs une plus grande flexibilité de conception, permettant d'intégrer des inductances et des condensateurs dans le verre pour de meilleures solutions d'alimentation électrique et une consommation d'énergie réduite.

Les avantages du substrat en verre sont les suivants :

* Le substrat en verre peut être rendu très plat pour un motif plus fin, ce qui peut réduire la distorsion du motif de 50 % et une densité de câblage supérieure (10 fois). Lors de la lithographie, l'ensemble du substrat est exposé uniformément, réduisant ainsi les défauts.

* Le coefficient de dilatation thermique du verre est similaire à celui de la puce de silicium ci-dessus, ce qui peut réduire les contraintes thermiques.

* Ne se déforme pas et peut gérer des puces de densité plus élevée dans un seul emballage. Le prototype initial peut gérer des densités de copeaux 50 % supérieures à celles des substrats organiques.

Les interconnexions optiques peuvent être intégrées de manière transparente, ce qui donne lieu à des optiques co-packagées plus efficaces.

* Ces substrats sont généralement des tranches rectangulaires, augmentant le nombre de puces par tranche, augmentant ainsi la production et réduisant les coûts.

Les substrats en verre ont le potentiel de remplacer les substrats organiques intégrés au boîtier, les couches intermédiaires en silicium et d'autres dispositifs d'interconnexion intégrés à grande vitesse.

Cependant, les substrats en verre présentent certains défis :

* Le verre est cassant et fragile, facile à briser pendant le processus de fabrication. Cette fragilité nécessite une manipulation soigneuse et un équipement spécial pour éviter tout dommage lors de la fabrication. Il s’agit d’un point faible pour les produits confrontés à un risque élevé d’impact physique, tels que les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les équipements automobiles.

Assurer une bonne liaison entre le substrat en verre et les autres matériaux utilisés dans les empilements de semi-conducteurs, tels que les métaux et les diélectriques, est un défi et il est difficile de remplir uniformément les trous traversants des lignes. Les différences dans les propriétés des matériaux peuvent provoquer des contraintes au niveau de l'interface, ce qui peut entraîner un délaminage ou d'autres problèmes de fiabilité. Bien que le coefficient de dilatation thermique du verre soit similaire à celui du silicium, il est très différent du matériau utilisé pour les cartes/bosses PCB. Cette inadéquation peut créer un stress thermique pendant le cycle de température, affectant la fiabilité et les performances.

* Trop transparent, ce qui affectera la précision de la mesure, et le rendement est trop faible, capacité insuffisante.

* L'absence de normes industrielles établies pour les substrats en verre entraîne des différences de performances entre les différents fournisseurs. Comme il s’agit d’une nouvelle technologie, il n’existe pas suffisamment de données sur la fiabilité à long terme. Des tests de durée de vie plus accélérés sont nécessaires pour gagner en confiance dans l'utilisation de ces packages pour des applications à haute fiabilité.

Malgré ces inconvénients, les substrats en verre sont prometteurs pour le silicium de calcul haute performance (HPC), d'IA et de réseau DC, où l'accent est mis sur l'encapsulation d'autant de débit que possible dans un boîtier ASIC afin d'améliorer l'échelle, les performances et l'efficacité globales de le système.

Lee Chang-min, analyste de recherche chez KB Securities, prédit : « Avec la croissance exponentielle du traitement des données de l'IA, les substrats en matériaux organiques (plastiques) deviendront rares d'ici 2030. Les substrats en verre sont initialement appliqués à des produits de haute qualité tels que l'IA. accélérateurs et processeurs de serveur, et devraient progressivement s'étendre à une gamme plus large de domaines de produits.'

La source a également souligné que la technologie du verre traversant (TGV) n'est pas encore suffisamment mature pour être utilisée pour le traitement des substrats en verre et reste un défi difficile en raison du niveau de précision requis. Les substrats en verre en sont encore aux premiers stades de développement.

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Les puces IA créent une demande de substrats en verre

Les substrats en verre sont reconnus comme un matériau clé pour la prochaine génération de technologies avancées d’emballage de semi-conducteurs et sont nécessaires pour soutenir la croissance explosive des puces IA.

L'expansion de la capacité de conditionnement avancée CoWoS de TSMC a à peine suivi le rythme de la demande croissante de puces IA, ce qui a incité les fabricants de semi-conducteurs à rechercher des alternatives. Selon des sources industrielles, les emballages avancés utilisant des substrats en verre constituent une solution potentielle.

Actuellement, les sociétés de semi-conducteurs développent deux substrats en verre pour un emballage avancé. L’un est conçu pour remplacer la couche intermédiaire de silicium, en utilisant le verre comme plate-forme d’intégration des puces. Des sources affirment que TSMC et Innolux vont dans cette direction.

Un autre substrat de verre sera utilisé au cœur du substrat ABF, en remplacement de la plaque plaquée de cuivre (CCL). Des sources affirment qu'Intel et l'autrichien AT&S développent conjointement ce type de processeur.

Intel a initialement adopté une approche différente pour développer des packages avancés. La société cherche à tirer parti de sa technologie d'optique co-packagée (CPO), qui utilise des substrats de verre pour améliorer la transmission du signal.

Selon les sources, le verre sera principalement utilisé dans des substrats de 110 mm x 110 mm et plus pour répondre aux besoins des applications de périphériques finaux telles que les CPU et GPU pour les serveurs, les circuits intégrés de commutation et les modules RF.

Le substrat en verre est la clé du FOPLP

Les substrats en verre sont devenus un élément stratégique clé du packaging au niveau des panneaux (FOPLP), une technologie développée par TSMC et diverses usines back-end. Pour cette raison, TSMC a initialement choisi une taille de panneau de verre de 515 mm x 510 mm, selon des sources industrielles, et aurait plus récemment opté pour une taille plus grande adoptée par la principale usine back-end ASE.

FOPLP est une extension de la technologie FOWLP (fan-out wafer-level packaging). Étant donné que le FOPLP utilise un panneau plus grand, il peut gérer plusieurs fois plus de puces que des tranches de 300 mm.

Selon des sources, les développeurs du FOPLP utilisent une variété de tailles de panneaux, notamment 300 mm x 300 mm, 515 mm x 510 mm, 600 mm x 600 mm et 620 mm x 750 mm.

Le fabricant de panneaux d'affichage Innolux est entré dans le secteur des semi-conducteurs et développe le FOPLP avec la plus grande taille de panneau de tous ses pairs - 620 mm x 750 mm.

À mesure que l’importance des substrats en verre dans le conditionnement avancé des puces augmente, la concurrence entre les fabricants s’intensifie, stimulant l’innovation et les investissements dans cette technologie prometteuse.

Augmentation du prix du matériau de substrat en verre

Les panneaux FOPLP peuvent être des substrats de PCB ou de verre, similaires à ceux utilisés pour fabriquer les écrans LCD.

Les acteurs de l'industrie du verre soulignent que le substrat en verre des panneaux FOPLP et LCD est essentiellement le même. Alors que la pureté du verre LCD est déjà élevée, les applications des semi-conducteurs sont encore plus exigeantes. Les fournisseurs de verre continueront de s'améliorer pour répondre aux exigences en matière de semi-conducteurs.