先端パッケージングにおけるパッケージ基板の役割は、同じカテゴリー内で別のものに置き換えられる部品から、システム設計に直接結び付いたコンポーネントへと変化している。より大型のパッケージ、より多い層数、より微細な配線、新しい絶縁材料、組み込み受動部品は、すべての用途に一般化できない電気的、熱的、機械的制約の組み合わせを課している。
Semiconductor EngineeringでGregory Haleyが執筆した記事は、基板への支出増加が、出荷されるユニット数の同等の増加に必ずしも対応しないことを指摘している。その理由は、各基板がより多くの材料を消費し、より複雑な構造を必要とするためであり、特に大型のボディとflip-chip BGA接続を備えたサーバーおよびAIパッケージで顕著である。
生産能力だけでは完全な答えにならない
未稼働の生産スペースがあるからといって、サプライヤーが必要な基板を製造できるとは限らない。互換性を確保するには、特定の設計について、層構造、寸法、電気特性、材料システム、要求される歩留まり水準を再現する必要がある。そのため、同じサイズの有機基板を生産する2社のサプライヤーが、実際に互いの代替になるとは限らない。
chipletとHBMでは問題がさらに深刻になる。ダイ間を信号が高速で行き来し、電力を損失とノイズを抑えて供給し、メモリを演算ロジックの近くに維持しなければならないからだ。その結果、絶縁材の特性、層数、配線間隔、熱膨張挙動、電力供給能力は、単なるパッケージング上の細部ではなく、システムレベルの意思決定になった。
製造歩留まりが設計の限界を描く
設計は技術的に実現可能でも、大量生産では経済的に魅力がない場合がある。層数を増やすと欠陥や位置合わせエラーの可能性が高まり、大型化したボディは機械的公差の影響を拡大し、より微細な配線はプロセスマージンを縮小させる。Amkorの例は、設計ルールが顧客の構造、OSAT各社の組立ルール、基板サプライヤーのプロセス限界に同時に適合しなければならないことを示している。
したがって、「セカンドソース」という言葉は、利用可能な生産能力を持つ別の工場があることを意味するのではなく、同じ構造について認定を受け、要求された歩留まりと特性を繰り返し達成したサプライヤーを意味する。基板の特異性が高まるほど、実際に利用可能なサプライヤーの数は少なくなる。たとえサプライヤーの総数が多く見えても同様である。
特化は材料と装置にも及ぶ
基板は製造工程から切り離して機能するものではない。一時的にキャリアへ固定され、加熱と冷却、塗布、化学処理、薄化、分離、洗浄にさらされることがある。そのため、一時接着材料は、接触する表面、熱予算、反り、接着要件に応じて設計される。パッケージのバージョン間を移行する際に、材料そのものの変更が必要になる場合もある。
同じ信頼性の課題はガラス基板にも現れる。クラックを抑えるため、ガラス、ライナー、ガラス貫通ビア内の銅における熱膨張係数と剛性の整合を制御しなければならない。また、パネルレベルの製造では、めっきの均一性、応力、反りに関する追加の課題が生じる。
これらの要件は加工装置にも波及する。メーカーは、より大きな面積、より多い層数、より微細な配線間隔をサポートし、おそらく複数の競合する技術経路にも対応しなければならない。どの経路が量産に到達するかが明確になる前の段階である。基板の最終構造がまだ確定していない一方で、装置は早期に開発しなければならないため、これは投資リスクを生み出す。
実際に何が変わるのか？
現在の動向は、単一の基板が勝利することではなく、目的に応じて選択肢が分化することを示している。AIパッケージと高性能コンピューティングには、高い接続密度、電力供給能力、広い帯域幅が必要である。一方、コパッケージド・オプティクスは、清浄度、位置合わせ、光接続に関する要件を加え、空気キャビティまたは屈折率整合材料を必要とする可能性がある。自動車分野では、ADASと集中コンピューティングで先端パッケージングの利用が拡大しているにもかかわらず、コスト、信頼性の実績、検査要件を理由に、従来型パッケージが引き続き好まれる場合がある。
ここでは設計ツールにおける別のギャップも浮かび上がる。基板、再配線層、interposerに関して入手できる情報は、統合された設計フロー内で熱的、電気的、機械的挙動をモデル化するには、必ずしも十分ではない。そのため、パッケージ設計者、サプライヤー、装置および材料メーカーの協力に加えて、テストビークルと物理的な認定が、今後も不可欠であり続ける。
編集部の見解：実際の変化は、有機基板をシリコンやガラスに置き換えることではなく、基板の選択がシステムエンジニアリングの早い段階へ移行することである。電力、帯域幅、熱、信頼性、コスト、製造可能性を同時に改善する選択肢は存在しない。そのため、特化型基板のマップは拡大し、「利用可能な能力」は、特定の設計について認定された能力と結び付けない限り、誤解を招く指標になる可能性がある。