Gehäusesubstrat, dessen Kern eine Glasplatte statt glasfaserverstärkten Harzes ist. Da Glas eben und maßhaltig ist, wird es entwickelt, um auch in großen Gehäusen feine Verdrahtung und dichte Durchkontaktierungen zu bilden.
Japanische Bezeichnung: ガラスコア基板
Fachgebiet: Fortgeschrittene Technologien (3D-Integration, Chiplets)
Gehäuse für Hochleistungsprozessoren nutzen überwiegend Build-up-Substrate, bei denen Harz-Isolierschichten und Kupferverdrahtung auf beiden Seiten eines Kerns aus harzgetränktem Glasfasergewebe aufgebaut werden. Wenn Substrate wachsen, um mehrere Chips und HBM-Stapel für KI zu tragen, werden temperaturbedingter Verzug und Schrumpfen oder Dehnen während der Verarbeitung zum Problem, und die Ausrichtung wird mit feinerer Verdrahtung schwieriger. Ein Glaskernsubstrat ersetzt diesen Kern durch eine dünne Glasplatte und nutzt die sehr ebene Oberfläche, die Steifigkeit und die thermische Maßhaltigkeit von Glas, um feine Verdrahtung mit großen Substratformaten zu verbinden.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas lässt sich über seine Zusammensetzung wählen, was es erleichtert, Verzug und Spannungen durch Ausdehnungsunterschiede zu den darauf montierten Chips und zur darunterliegenden Leiterplatte zu beherrschen. Die beiden Seiten werden durch Glasdurchkontaktierungen (TGVs, Through-Glass Vias) verbunden, Löcher, die per Laser oder ähnlichen Verfahren erzeugt und mit Kupfer gefüllt werden; sie sollen feiner und dichter werden als die gebohrten Löcher in organischen Kernen. Glas ist zudem im Allgemeinen ein verlustarmes Dielektrikum und eignet sich damit für schnelle Signalübertragung.
Glas ist spröde und kann bei Handhabung und Verarbeitung absplittern oder reißen. Besonders um kupfergefüllte TGVs erzeugt jede Temperaturänderung Spannungen durch den Ausdehnungsunterschied zwischen Kupfer und Glas, die Mikrorisse auslösen können. Auch Spannungen aus den auf beiden Seiten aufgebauten Verdrahtungslagen können Risse verursachen. Die Haftung von Kupfer und Harz auf Glas, gleichmäßiges Füllen der Vias, die geringe Wärmeleitfähigkeit von Glas und die noch begrenzten Langzeit-Zuverlässigkeitsdaten sind weitere Herausforderungen.
Im September 2023 stellte Intel Glassubstrate für Advanced Packaging der nächsten Generation vor und erklärte, sie in der zweiten Hälfte der 2020er-Jahre auf den Markt bringen zu wollen. Als Gründe nannte es bessere Ebenheit sowie thermische und mechanische Stabilität als bei organischen Substraten, die eine viel höhere Verbindungsdichte im Substrat ermöglichen. Auch andere Substrat- und Glashersteller entwickeln die Technik, und der Umgang mit der Sprödigkeit sowie eine ausreichende Ausbeute in der Serienfertigung sind entscheidend für den praktischen Einsatz.
Ein Glaskernsubstrat nutzt Glas als Kern des Gehäusesubstrats, mit Verdrahtungslagen darüber und darunter, die die Chips mit der Leiterplatte verbinden. Ein Glas-Interposer nutzt Glas statt eines Silizium-Interposers als Zwischenschicht, die Chips mit hoher Dichte untereinander verbindet. Ihre Rollen unterscheiden sich, doch beide verbinden die beiden Seiten mit TGVs.
Es ist eben, maßhaltig und verzugsarm, sodass sich feine Verdrahtung und dichte Durchkontaktierungen auch auf großen Substraten leichter bilden lassen. Seine Wärmeausdehnung lässt sich über die Zusammensetzung einstellen, und seine geringen dielektrischen Verluste eignen sich für schnelle Signale.
Glas bricht leicht. Spannungen aus Ausdehnungsunterschieden konzentrieren sich um kupfergefüllte TGVs und können Risse auslösen, und Glas kann bei Verarbeitung und Handhabung absplittern; daher müssen Spannungsmanagement, Haftung und Langzeitzuverlässigkeit gelöst werden.
2,5D-Integration 3D-Packaging Chiplet CoWoS HBM Hybrid-Bonden Mikro-Bump Panel-Level-Packaging (PLP) Silizium-Interposer TSV (Silizium-Durchkontaktierung)