Glas-Interposer-PCB vs. Silizium-Interposer

Ein Glas-Interposer ist ein passives Substrat zur Umverteilung der Leiterbahnen, das zwischen Halbleiterchips und dem darunterliegenden Gehäusesubstrat platziert wird. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die feinen Chip-Verbindungen so umzuverteilen, dass sie von der nächsten Gehäuseebene verarbeitet werden können. Gleichzeitig überträgt er Chip-zu-Chip-Signale, Stromversorgung und Masse auf einer kompakten Fläche. In der Praxis gewinnen Glas-Interposer zunehmend an Bedeutung, da sie eine Zwischenstellung zwischen Silizium- und organischen Interposern einnehmen: Sie ermöglichen feinere Leiterbahnführung und höhere Dimensionsstabilität als organische Materialien, bieten aber im Vergleich zu waferbegrenztem Silizium ein geringeres Kostenpotenzial und die Möglichkeit zur Fertigung größerer Panelformate. Weitere Informationen zu Materialien und Plattformen finden Sie in der Übersicht zu Glas-Leiterplatten.

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Was ist ein Glas-Interposer und welche Funktion hat er?

In modernen Halbleitergehäusen dient ein Interposer als Umverteilungsschicht zwischen den Chips und dem Gehäusesubstrat. Ein Glas-Interposer nutzt Glas als Basissubstrat und vereint drei wesentliche Funktionen: horizontale Signalumverteilung durch feine Leiterbahnen an der Oberfläche, vertikale Signalübertragung durch die Substratdicke und Anpassung des Kontaktabstands zwischen den sehr feinen Chipkontakten und der gröberen Verbindungsstruktur darunter.

Das bedeutet, dass ein Glas-Interposer nicht mit einem kompletten Gehäusesubstrat gleichzusetzen ist. Er ersetzt nicht das gesamte untere Gehäuse. Stattdessen befindet er sich zwischen den Chips und dem Gehäusesubstrat und ermöglicht so eine dichte Signalführung in einem Bereich, in dem herkömmliche Gehäuseverdrahtungen zu grob wären. Das darunterliegende Gehäusesubstrat übernimmt weiterhin die breitere Verdrahtung und die Verbindungen auf Platinenebene, während der Interposer die dichte lokale Verbindung direkt unter und zwischen den Chips realisiert.

Eine typische Glas-Interposer-Struktur besteht aus einem dünnen Glaskern, Durchkontaktierungen für vertikale Verbindungen und Umverteilungsschichten auf einer oder beiden Seiten. Da Glas selbst elektrisch isolierend und formstabil ist, bietet es eine gute Grundlage für Feinverdrahtung, Rasteranpassung und Co-Packaging-Strukturen, die mit herkömmlichen organischen Materialien nur schwer realisierbar wären.

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Glas-Interposer vs. Silizium-Interposer vs. organischer Interposer

Die Bedeutung der Glas-Interposer-Technologie liegt darin, dass sie einen äußerst nützlichen Mittelweg darstellt. Silizium-Interposer bieten zwar die höchste Leiterbahndichte, sind aber teuer und durch die Wafer-Scale-Fertigung eingeschränkt. Organische Interposer sind kostengünstiger und einfacher zu skalieren, weisen jedoch eine geringere Leiterbahndichte und Dimensionsstabilität auf. Glas-Interposer schließen die Lücke für Gehäuse, die eine höhere Dichte benötigen, als organische Interposer problemlos bieten können, aber nicht die vollen Kosten und die Komplexität von Silizium erfordern.

Aus Sicht der Gehäuseentwicklung wird Silizium-Interposer üblicherweise dann gewählt, wenn die Konstruktion eine extrem hohe Leiterbahnverteilungsdichte erfordert. Organische Interposer sind die bevorzugte Wahl, wenn die Kosten im Vordergrund stehen und die Anforderungen an die Leiterbahndichte moderat sind. Glas-Interposer sind dann attraktiv, wenn das Gehäuse eine höhere Dimensionsstabilität, eine feinere Leiterbahnführung oder optische Funktionalität benötigt, ohne dabei die Kosten von Silizium-Interposern zu überschreiten.

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Glas-Interposer-Design: TGV, RDL, Stack-Up und Verzugskontrolle

Die Konstruktion von Glas-Interposern ist der wichtigste Aspekt, da der Wert eines Interposers weniger vom Materialnamen als vielmehr von der Struktur abhängt. In realen Projekten wird ein Glas-Interposer nicht allein danach beurteilt, ob er aus Glas besteht. Entscheidend ist, ob seine Substratdurchführung, die Umverteilungsschichten, die Stapelsymmetrie und die Interaktion mit dem Gehäuse die angestrebte Chipgröße, den Bump-Pitch, die Signalanzahl und den Montageprozess unterstützen.

1. Dicke und Rolle des Glaskerns

Der Glaskern wird üblicherweise dünn gehalten, da der Interposer eine Umverteilungsstruktur und keine große Leiterplatte ist. Das Glas muss dick genug sein, um die Dimensionsstabilität während der Verarbeitung und Montage zu gewährleisten, aber gleichzeitig dünn genug, um die vorgesehene Durchkontaktierungsgeometrie und das Gehäuseprofil zu tragen. In dieser Funktion verhält sich das Glas anders als bei einer vollflächigen Substratplattform, beispielsweise einer Leiterplatte mit Glaskern , bei der das Glas das zentrale strukturelle Rückgrat des Gehäusesubstrats selbst bildet.

2. Durchkontaktierungen durch Glas als vertikales Rückgrat

Durchkontaktierungen durch Glas sind von entscheidender Bedeutung, da sie die dem Chip zugewandte Leiterbahnseite mit der dem Gehäuse zugewandten Seite verbinden. In Glas-Interposern weisen diese Durchkontaktierungen üblicherweise engere Abstände, kleinere Abmessungen und strengere Füllanforderungen auf als bei herkömmlichen Glasschaltungen. Eine vollständige Füllung wird häufig bevorzugt, da der Interposer eine dichte Umverteilung und eine stabile vertikale Leistungsfähigkeit gewährleisten muss und nicht nur gelegentliche Übergänge von oben nach unten. Die detaillierte Prozesslogik dieser vertikalen Verbindung ist eng mit der Herstellung von Durchkontaktierungen durch Glas verknüpft.

3. Entwurf der Umverteilungsschicht

Die Umverteilungsschicht (RDL) ist der Ort, an dem der Interposer seine Funktion der Rasterteilung ausführt. Auf der Oberseite empfängt die RDL die feinen Chipverbindungen. Auf der Unterseite leitet sie diese Signale zum Gehäusesubstrat weiter. Wenn mehrere Chips einen Interposer gemeinsam nutzen, routet dasselbe RDL-Netzwerk auch die Chip-zu-Chip-Verbindungen lateral über die Oberfläche. Daher muss die Routing-Strategie Signalverluste, Pfadlängen, Referenzstrukturen, lokale Dichte und die Wechselwirkung des Interposers mit dem darunterliegenden organischen Substrat berücksichtigen.

In der Praxis geht es beim Interposer-RDL-Design nicht nur um „feineres Leiterbahnrouting auf der Leiterplatte“. Es ähnelt eher der Umverteilung von Bauteilen im Gehäuse, wo lokale Dichte, Symmetrie und Schichtinteraktion eng mit dem Montage- und Verzugsverhalten verknüpft sind. Ein Layout, das elektrisch effizient erscheint, kann dennoch strukturell mangelhaft sein, wenn es zu Kupferungleichgewichten oder ungestützten Spannungskonzentrationen im Interposer-Stack führt.

4. Stapelsymmetrie und Verzugsmanagement

Verformung ist eines der zentralen Risiken bei der Entwicklung von Glas-Interposern, da die geringe Bump-Anordnung nur sehr wenig Spielraum für Montageverzerrungen lässt. Ist die Umverteilungsstruktur nicht ausbalanciert, kann die Abkühlung von der Montagetemperatur eine so starke Krümmung verursachen, dass es zu offenen Bumps, ungleichmäßigem Kontakt oder Ausbeuteverlusten kommt. Die häufigsten Ursachen sind ein Kupferungleichgewicht zwischen den beiden Seiten, ein ungleichmäßiger Aufbau des Dielektrikums, Underfill-Verhalten und Wechselwirkungen mit dem darunterliegenden Gehäusesubstrat.

Aus diesem Grund werden Interposer-Stacks üblicherweise symmetrisch konstruiert. Die Umverteilungsstrukturen an Ober- und Unterseite müssen gemeinsam und nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Kupferdichte, Lagenanzahl und Prozessreihenfolge beeinflussen die endgültige Planheit des Interposers. Dies ist einer der Hauptgründe für die Attraktivität von Glas: Sein niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient und seine gute Dimensionsstabilität tragen dazu bei, Verformungen in dichten Gehäuseumgebungen besser zu kontrollieren als organische Alternativen.

5. Signal-, Leistungs- und Wärmeplanung

Obwohl der Interposer passiv ist, erfüllt er dennoch drei verschiedene Systemfunktionen: Signalverteilung, Stromverteilung und thermische Interaktion mit dem restlichen Gehäuse. Diese Funktionen beeinflussen das Design nicht immer in dieselbe Richtung. Dichte laterale Signalverlegung kann mit dem Bedarf an Stromversorgungspfaden oder Masseverbindungen konkurrieren. Ebenso können Bump-Layout und Chipplatzierung lokale thermische Konzentrationszonen erzeugen. Ein gutes Interposer-Design erfordert daher die Koordination elektrischer, mechanischer und gehäusetechnischer Anforderungen, anstatt nur eine davon zu optimieren.

Daher sollte ein Glas-Interposer als Problem des Gehäusedesigns und nicht nur als Problem der Feinleitungsführung betrachtet werden. Das korrekte Via-Muster, der RDL-Stack und die Aufbauanordnung werden durch die gesamte Gehäusearchitektur bestimmt, einschließlich Chipanzahl, Chipabstand, darunterliegendes Substrat und Montageverfahren.

Wo Glas-Interposer in 2.5D-, 3D- und Co-Packaged-Optiken eingesetzt werden

Glas-Interposer werden meist im Kontext von Advanced Packaging diskutiert, ihre Anwendungsbereiche sind jedoch nicht alle gleich. Je nachdem, ob es sich um ein 2.5D-, 3D- oder photonisch-elektronisches Gehäuse handelt, können Interposer ganz unterschiedliche Aufgaben erfüllen.

2.5D-Chiplet-Verpackung

Bei 2.5D-Gehäusen sitzen mehrere Chips nebeneinander auf dem Interposer, der die dichte laterale Leiterbahnführung zwischen ihnen übernimmt. Dies ist einer der deutlichsten Anwendungsfälle für die Glas-Interposer-Technologie, da er eine präzise Umverteilung, eine stabile Geometrie und eine skalierbare Substratfläche erfordert.

3D-Verpackungsstützstrukturen

In 3D-Konfigurationen kann der Interposer als Basisschicht für die Umverteilung von Leiterbahnen dienen und einen stärker vertikal integrierten Schichtaufbau unterstützen. Hierbei kommt es nicht nur auf die Leiterbahndichte an, sondern auch auf die mechanische Stabilität und die Zuverlässigkeit der vertikalen Verbindungen innerhalb eines enger gekoppelten Gehäuses.

Photonisch-elektronische Co-Verpackung

Einer der größten Vorteile der Glas-Interposer-Technologie ist ihre optische Transparenz. Diese Eigenschaft eröffnet Gestaltungsmöglichkeiten, die weder Silizium-Interposer noch organische Substrate in gleicher Weise bieten können. In photonisch-elektronischen Systemen lassen sich optische und elektrische Funktionen auf derselben Substratplattform integrieren. Dies ermöglicht kompaktere und effizientere Architekturen für Anwendungen in der Hochbandbreitenkommunikation und Sensorik.

Diese Anwendungsfälle zeigen auch, warum Glas-Interposer nicht allein anhand einfacher Kostenvergleiche bewertet werden können. In manchen Packaging-Lösungen wird Glas gewählt, weil es günstiger als Silizium ist. In anderen Fällen wird es aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. optischer Zugang, größere Substratformate oder andere Materialeigenschaften, ausgewählt. In diesen Situationen dient Glas nicht nur als kostengünstigere Alternative, sondern als Substrat, das Designoptionen ermöglicht, die mit anderen Materialien nicht realisierbar sind.

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Häufig gestellte Fragen und Projektplanung für Glass Interposer

Worin besteht der Unterschied zwischen einem Glas-Interposer und einem Glaskernsubstrat?

Ein Glas-Interposer ist eine passive Umverteilungsschicht, die zwischen den Chips und dem Gehäusesubstrat eingefügt wird. Ein Glaskernsubstrat ist die vollständige Gehäusesubstratstruktur, die sich unterhalb des Chips oder Interposers befindet und letztendlich die Verbindung zur Leiterplattenschnittstelle herstellt.

Wann ist ein Glas-Interposer einem Silizium-Interposer vorzuziehen?

Glas-Interposer sind typischerweise attraktiver, wenn die Gehäusestruktur eine feinere Umverteilung erfordert, als organische Materialien bieten können, aber nicht die höchste Dichte von Silizium-Interposern benötigt wird. Sie gewinnen auch an Bedeutung, wenn die Wirtschaftlichkeit im Panelmaßstab oder die optische Funktionalität wichtig sind.

Welche Informationen werden benötigt, um ein Glas-Interposer-Projekt zu starten?

Das Projekt beginnt üblicherweise mit der Chipgröße, der Chipanzahl, dem Bump-Mapping, dem Ziel-Footprint, der Signalanzahl, der Datenrate, dem Leistungsbedarf und der Gehäusestruktur unterhalb des Interposers. Diese Parameter bestimmen die Routing-Dichte des Interposers, die Via-Strategie und die Stapelrichtung.

Können Glas-Interposer mit Standard-Flip-Chip-Verfahren montiert werden?

Sie lassen sich in standardmäßige, fortschrittliche Montageprozesse integrieren, jedoch muss die Werkzeug- und Unterstützungsstrategie das spröde Substratverhalten von Glas berücksichtigen. Die Montageplanung wird üblicherweise zusammen mit dem übergeordneten Verpackungsprozess, der in der Glas-Leiterplattenfertigung beschrieben wird, überprüft.

Wie sollte ein Projekt kalkuliert werden?

Ein aussagekräftiges Angebot beginnt üblicherweise mit der Gehäusearchitektur und nicht mit einer reinen Maßanfrage. Falls Sie bereits Chipinformationen, Bump-Maps, Footprint-Vorgaben oder Verbindungsbeschränkungen haben, übermitteln Sie diese bitte über die Angebotsseite , damit der Glass Interposer anhand der tatsächlichen Gehäuseanforderungen geprüft werden kann.