O papel do substrato do pacote no empacotamento avançado está mudando: de um elemento que pode ser substituído por outro da mesma categoria para um componente diretamente vinculado à engenharia do sistema. Pacotes maiores, mais camadas, rotas de interconexão mais precisas, novos materiais dielétricos e componentes passivos integrados impõem uma combinação de restrições elétricas, térmicas e mecânicas que não pode ser generalizada para todas as aplicações.
O material, preparado por Gregory Haley no Semiconductor Engineering, indica que o aumento dos investimentos em substratos não é necessariamente acompanhado por um aumento equivalente no número de unidades expedidas. A razão é que cada substrato consome mais materiais e exige uma estrutura mais complexa, especialmente nos pacotes de servidores e de inteligência artificial com corpos grandes e conexões flip-chip BGA.
A capacidade de produção não é a resposta completa
A existência de capacidade de produção não utilizada não significa que o fornecedor seja capaz de fabricar o substrato necessário. A compatibilidade exige reproduzir a estrutura das camadas, as dimensões, as características elétricas, o sistema de materiais e o nível de rendimento exigido para um design específico. Por isso, dois fornecedores que produzem substratos orgânicos do mesmo tamanho talvez não sejam substitutos efetivos um do outro.
O problema se agrava com chiplets e memória HBM, pois os sinais devem atravessar os dies em alta velocidade, a energia deve ser fornecida com perdas e ruído limitados, e a memória precisa permanecer próxima da lógica de processamento. Como resultado, as características do dielétrico, o número de camadas, o espaçamento das rotas, o comportamento da expansão térmica e as capacidades de fornecimento de energia tornaram-se decisões no nível do sistema, e não apenas detalhes de empacotamento.
O rendimento de fabricação define os limites do design
O design pode ser tecnicamente viável, mas economicamente pouco atraente na produção em volume. O aumento do número de camadas eleva as chances de defeitos e erros de alinhamento, enquanto um corpo maior amplia o efeito das tolerâncias mecânicas, e as rotas mais finas reduzem a margem do processo. Os exemplos da Amkor mostram que as regras de design precisam estar alinhadas simultaneamente à estrutura do cliente, às regras de montagem das empresas OSAT e aos limites dos processos do fornecedor do substrato.
Por isso, a expressão «segunda fonte» não significa a existência de outra fábrica com capacidade disponível, mas sim um fornecedor qualificado na mesma estrutura e que tenha atingido repetidamente o rendimento e as características exigidos. Quanto mais especializado for o substrato, menor será o número de fornecedores efetivamente utilizáveis, mesmo que o número total de fornecedores pareça grande.
A especialização se estende aos materiais e equipamentos
O substrato não opera isoladamente do fluxo de fabricação. Ele pode ser temporariamente fixado a um suporte e ser submetido a aquecimento e resfriamento, revestimento, processamento químico, afinamento, separação e limpeza. Por isso, os materiais de ligação temporária são projetados de acordo com as superfícies de contato, o orçamento térmico, a deformação e os requisitos de adesão. A transição entre duas versões do pacote pode exigir a alteração do próprio material.
A mesma dependência da confiabilidade aparece nos substratos de vidro; é necessário controlar a compatibilidade entre os coeficientes de expansão e a rigidez do vidro, do revestimento e do cobre dentro das conexões que atravessam o vidro, a fim de reduzir rachaduras. A fabricação em nível de painel também impõe desafios adicionais de uniformidade do revestimento, tensão e deformação.
Esses requisitos também se transferem aos equipamentos de processamento. Os fabricantes precisam oferecer suporte a áreas maiores, maior número de camadas, espaçamento menor entre rotas e possivelmente vários fluxos tecnológicos concorrentes antes que fique claro qual deles chegará à produção em volume. Isso cria um risco de investimento, porque os equipamentos precisam ser desenvolvidos antecipadamente, enquanto a estrutura final do substrato ainda não está definida.
O que muda na prática?
As tendências atuais não apontam para a vitória de um único substrato, mas para a diferenciação das opções de acordo com o objetivo. Os pacotes de inteligência artificial e de computação de alto desempenho exigem alta densidade de interconexão, fornecimento de energia e largura de banda. Já o empacotamento óptico co-packaged acrescenta requisitos de limpeza, alinhamento e conexão óptica, e pode exigir uma cavidade de ar ou um material compatível com o índice de refração. No setor automotivo, os pacotes tradicionais podem continuar sendo preferidos por causa do custo, do histórico de confiabilidade e dos requisitos de inspeção, apesar do crescimento do uso do empacotamento avançado em ADAS e na computação centralizada.
Surge aqui outra lacuna nas ferramentas de design: as informações disponíveis sobre substratos, camadas de redistribuição e interposers nem sempre são suficientes para modelar o comportamento térmico, elétrico e mecânico em um fluxo de design unificado. Isso significa que a colaboração entre designers de pacotes, fornecedores, fabricantes de equipamentos e materiais, juntamente com veículos de teste e qualificação física, continuará sendo necessária.
Leitura editorial: a mudança efetiva não é a substituição de substratos orgânicos por silício ou vidro, mas a transferência da escolha do substrato para uma etapa inicial da engenharia do sistema. Não existe uma opção que melhore simultaneamente energia, largura de banda, térmica, confiabilidade, custo e capacidade de fabricação. Por isso, o mapa de substratos especializados se ampliará, e a «capacidade disponível» poderá se tornar um indicador enganoso, a menos que seja vinculada à capacidade qualificada para um design específico.