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Am Vorteil der Innovation-Konferenz ergänzte Intel seine im Mai gemachte Veröffentlichung zur Entwicklung bei Glassubraten für zukünftige Chip-Packages. Seit Jahrzehnten kommt das sogenannte organische Substrat zum Einsatz, welches aus einer gewebten Struktur besteht, durch die Signal- und Stromleitungen geführt werden. Das organische Substrat löste dabei vor 30 Jahren das anorganische Keramik-Package ab und ist nun seit 30 Jahren für nahezu alle Chips im Einsatz.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass Intel in etwa 40 % der weltweiten Kapazitäten an FCBGA- und FCLGA-Packages hält und fertigt und somit auch einer der größten Nutzer organischer Substrate ist. Über die vergangenen Jahrzehnte wurden immer komplexere Techniken angewendet, um die Lebensdauer der organischen Substrate zu verlängern.
Die immer komplexeren Package-Formate mit 2.5- und zukünftig einem 3D-Packaging bringen die organischen Substrate an ihre Grenzen und so entwickelt Intel bereits seit 15 Jahren an Glassubstraten. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass Glas und Silizium den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben. Wechselnde Temperaturen in der Fertigung des Substrats bzw. dem Aufbringen der Chips und im Betrieb sorgen dafür, dass sich das Silizium selbst und die organischen Substrate unterschiedlich stark ausdehnen und wieder zusammenziehen. Daraus können sich im schlimmsten Fall Defekte ergeben, eine Verformung ist allerdings immer gegeben und gegen diese müssen Maßnahmen ergriffen werden.
Glas und Silizium lassen sich in diesem Zusammenhang also besser kombinieren und bietet zudem auch noch weitere Vorteile. So können auf einem Glassubstrat bis zu 50 % mehr Chips untergebracht werden, als dies mit einem organischen Substrat der Fall ist.
Zudem ist man bei organischen Substraten auf eine Fläche von 120 x 120 mm begrenzt, während diese mit Glassubstraten auf 240 x 240 mm vervierfacht wird. Immer größere Packages und damit verbundenen Substrate werden notwendig, weil die Hersteller immer mehr Chips in einem Package unterbringen wollen. Gerade das Datacenter- und HPC-Segment hat die Anforderungen hier extrem wachsen lassen und damit wird auch klar, wo die Glassubstrate als erstes zum Einsatz kommen werden.
Glassubsstrate sind aber nicht nur eine einfache Ablösung mit ein paar Vorteilen, auch grundsätzlich lassen sie neue Techniken zu, die mit organischen Substraten nicht umsetzbar sind. So können sogenannte Through Glass Vias (TGV) zehnmal enger integriert werden, als dies mit organischen Substraten in Form von Kanälen durch das gewebte Material der Fall ist. Damit sind vor allem schnellere I/O-Verbindungen durch das Package möglich.
Da mit Glassubstraten zudem höhere Temperaturen möglich sind bzw. das Material höheren Temperaturen ausgesetzt werden kann, kann auch die Strom- und Spannungsversorgung mehr liefern, als dies mit organischen Substraten möglich ist.
Hinzu kommt, dass optische Verbindungen direkt in das Package bzw. das Substrat integriert werden können, was für zukünftige Chips eine Möglichkeit sein wird, noch schnellere Verbindungen nach Außen zu führen.
Die Herstellung der Glassubstrate und deren Handling in der Fertigung sind allerdings nicht ganz trivial. Zwar will Intel einige Hürden bereits genommen haben, klar ist aber, dass die neuen Substrate zunächst auch bei den teuren Chips im Datacenter- und HPC-Segment umgesetzt werden.
Durch die Vorteile der Glassubstrate könnte irgendwann ein Wendepunkt erreicht werden, der den Einsatz auch auf kleineren und ansonsten kostengünstigeren Chips sinnvoll macht. Aber bis dahin wird es noch etwas dauern, denn mit einem konkreten Einsatz des neuen Substrats ist frühestens in vier bis fünf Jahren zu rechnen.
In Intel's Assembly and Test-Technology-Development-Abteilung in Chandler im US-Bundesstaat Arizona fertigt man bereits erste Test-Panels und Packages. Die Panels werden geschnitten, sodass daraus die Glassubstrate werden, die dann bestückt werden müssen. Die ersten Testchips ähneln dabei Notebook-Prozessoren und es werden hier zunächst einmal nur zwei Chips zusammen auf einem Package untergebracht. Dieses Package wird dann bezüglich seiner Eigenschaften hin untersucht und so findet eine Weiterentwicklung und Optimierungen der gesamten Prozesskette statt.
Update:
Die Kollegen von ComputerBase haben in einem Briefing auf der Innovation 2023 eine Art Roadmap zu den Glassubstraten aufgetan. Demnach wird es eine Art erste Generation geben, de ab 2024 erste sogenannte Test Vehicle vorsieht. Dort wird das organische Substart einfach gegen das neue Glassubstrat ersetzt. Besonders die höhere Dichte an Through-Hole-Verbindungen und die Verformung stehen in dieser ersten Generation im Fokus.
Eine zweite Generation soll dann ab 2026 weitere Verbesserungen umsetzen. Dann sollen die Substrate auch die Größenvorteile, die möglichen schnelleren Bandbreiten und größere Dichte der Verbindungen ausspielen.
