ガラスインターポーザー PCB とシリコンインターポーザー

ガラスインターポーザは、半導体ダイと、その下にあるパッケージ基板の間に配置される受動的な再配線基板です。その主な役割は、微細ピッチのダイ接続を、次のレベルのパッケージングで処理できる配線形式に再配線することであり、同時に、ダイ間の信号、電源、およびグランドをコンパクトな領域に伝送します。実際には、ガラスインターポーザは、シリコンインターポーザと有機インターポーザの中間的な位置づけを提供するため、注目を集めています。有機材料よりも微細な配線と優れた寸法安定性を持ちながら、ウェハに制限のあるシリコンよりも低コストで、より大きなパネルフォーマットでの製造が可能です。材料とプラットフォームに関するより広範なコンテキストについては、ガラスPCBの概要を参照してください。

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ガラスインターポーザーとは何か、そしてどのような働きをするのか？

高度な半導体パッケージングにおいて、インターポーザは、上部のダイと下部のパッケージ基板の間に配置された再配線層です。ガラス製インターポーザは、ベース基板としてガラスを使用し、表面の微細配線による水平方向の信号再配線、基板の厚み方向の垂直方向の信号伝送、そして非常に微細なダイバンプと下部の粗い相互接続構造との間のピッチ変換という3つの重要な機能を兼ね備えています。

つまり、ガラス製インターポーザは完全なパッケージ基板とは異なります。底面のパッケージ全体を置き換えるものではなく、ダイとパッケージ基板の間に配置され、通常のパッケージ配線では粗くなりすぎる空間で高密度な信号をルーティングするのに役立ちます。下のパッケージ基板は引き続き広範囲のファンアウトと基板レベルの接続を処理し、インターポーザはダイの真下およびダイ間の高密度な局所相互接続の問題を直接解決します。

一般的なガラスインターポーザ構造は、薄いガラスコア、垂直接続用のガラス貫通ビア、および片面または両面に形成された再配線層から構成されます。ガラス自体は電気的に絶縁性があり、寸法安定性にも優れているため、標準的な有機材料では実現が難しい微細配線、ピッチ変換、および共パッケージ構造を実現するための優れたプラットフォームとなります。

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ガラスインターポーザー vs シリコンインターポーザー vs 有機インターポーザー

ガラスインターポーザー技術が重要な理由は、それが非常に有用な中間的な位置づけにあるからです。シリコンインターポーザーは最高の配線密度を実現しますが、高価であり、ウェハースケール製造に制約されます。有機インターポーザーは低コストで拡張性も高いですが、配線密度と寸法安定性には限界があります。ガラスインターポーザーは、有機インターポーザーでは実現できない高密度を必要とするものの、シリコンインターポーザーのような高コストと複雑さは必要としないパッケージのニーズを満たすものです。

パッケージングの決定という観点から見ると、シリコンインターポーザーは、設計上、可能な限り最高の配線密度が絶対的に必要な場合に選択されます。コストが最優先事項で、配線密度の要件が中程度である場合は、有機インターポーザーが好まれます。ガラスインターポーザーは、シリコンインターポーザーのコスト領域に完全に踏み込むことなく、パッケージの寸法安定性の向上、より微細な配線、または光学的機能が必要な場合に魅力的な選択肢となります。

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ガラスインターポーザー設計：TGV、RDL、スタックアップ、および反り制御

ガラス製インターポーザの設計は、このトピックにおいて最も重要な部分です。なぜなら、インターポーザの価値は材料名よりも、構造の設計方法によって大きく左右されるからです。実際のプロジェクトでは、ガラス製インターポーザはガラスを使用しているかどうかだけで評価されるわけではありません。基板を貫通する相互接続、再配線層、スタックの対称性、パッケージ間の相互作用が、目標とするダイサイズ、バンプピッチ、信号数、および組み立てプロセスに対応できるかどうかによって評価されます。

1. ガラスコアの厚さと役割

インターポーザは配線構造であり、大型の機械基板ではないため、ガラスコアは通常薄めに設計されます。ガラスは、加工および組み立て時の寸法安定性を維持できる十分な厚さが必要ですが、同時に、ビアの形状やパッケージ形状を設計どおりに維持できる薄さも必要です。この役割において、ガラスは、ガラスコアPCBのようなフル基板プラットフォームとは異なる挙動を示します。フル基板プラットフォームでは、ガラスはパッケージ基板自体の中心構造的な骨格を形成します。

2. ガラス貫通ビアを垂直バックボーンとして使用する

ガラス貫通ビアは、ダイ面配線側とパッケージ面を接続するため、非常に重要です。ガラスインターポーザでは、これらのビアは通常、一般的なガラス回路に比べて間隔が狭く、寸法が小さく、充填率がより厳しくなります。インターポーザは、時折の上下方向の遷移だけでなく、高密度な再配線と安定した垂直方向の性能をサポートする必要があるため、ソリッド充填が一般的に好まれます。この垂直相互接続の背後にある詳細なプロセスロジックは、ガラス貫通ビアの製造と密接に関連しています。

3. 再分配層の設計

再配線層（RDL）は、インターポーザが実際にピッチ変換機能を果たす場所です。上面では、RDLは微細ピッチのダイ接続を受け取ります。下面では、これらの信号をパッケージ基板へと伝送します。複数のダイが1つのインターポーザを共有する場合、同じRDLネットワークがダイ間の接続を表面全体に横方向に配線します。つまり、配線戦略では、信号の漏洩、経路長、参照構造、局所的な密度、およびインターポーザが下の有機基板とどのように相互作用するかを考慮する必要があります。

実際には、インターポーザRDL設計は単なる「より精密なPCB配線」ではありません。むしろ、パッケージングの再配置に近いものであり、局所的な密度、対称性、および層間の相互作用が、組み立てや反り挙動と密接に結びついています。電気的に効率的に見えるレイアウトでも、インターポーザスタックに銅の不均衡や支持されていない応力集中が生じる場合、構造的に劣悪な場合があります。

4. 積層対称性と反り管理

ガラスインターポーザの設計において、反りは主要な設計リスクの一つです。これは、バンプピッチが細かいため、組み立て時の歪みに対する許容範囲が非常に狭いためです。再配線構造のバランスが取れていない場合、組み立て温度からの冷却によって十分な曲率が生じ、バンプの断線、接触不良、歩留まりの低下を引き起こす可能性があります。最も一般的な原因としては、両面間の銅の不均衡、誘電体の積層ミス、アンダーフィル挙動、および下地のパッケージ基板との相互作用などが挙げられます。

そのため、インターポーザスタックは通常、対称性を考慮して設計されます。上部と下部の再配線構造は、個別にではなく、まとめて考慮する必要があります。銅密度バランス、層数、およびプロセス順序はすべて、インターポーザの最終的な平坦性に影響を与えます。これが、ガラスが魅力的な主な理由の1つです。ガラスの低い熱膨張係数と優れた寸法安定性により、高密度パッケージ環境において、有機材料よりもパッケージの変形をより効果的に制御できます。

5. 信号、電力、および熱に関する計画

インターポーザは受動部品ではありますが、信号再分配、電力分配、パッケージ内の他の部品との熱的相互作用という3つの異なるシステム機能を担う必要があります。これらの機能は必ずしも設計の方向性を一致させるとは限りません。高密度な横方向信号配線は、電力供給経路やグランド連続性の必要性と競合する可能性があります。同様に、バンプレイアウトやダイ配置によって局所的な熱集中領域が生じることもあります。したがって、優れたインターポーザ設計には、電気的、機械的、パッケージングの各目標を総合的に調整することが求められ、いずれか1つだけを最適化するだけでは不十分です。

そのため、ガラス製インターポーザは、単なる微細配線問題ではなく、パッケージ設計の問題として扱うべきである。適切なビアパターン、RDLスタック、およびビルドアップ配置は、ダイ数、ダイ間隔、下部基板、および組み立て方法を含むパッケージ全体のアーキテクチャによって決定される。

2.5D、3D、およびコパッケージング光学系におけるガラスインターポーザーの使用例

ガラス製インターポーザーは、高度なパッケージングの文脈で議論されることが多いが、その用途は一様ではない。パッケージが2.5D、3D、あるいはフォトニック・エレクトロニクスであるかによって、インターポーザーの役割は大きく異なる。

2.5Dチップレットパッケージング

2.5Dパッケージでは、複数のダイがインターポーザー上に並んで配置され、インターポーザーがそれらの間の高密度な横方向配線を処理します。これは、精密な再配線、安定した形状、および拡張可能な基板面積が求められるため、ガラスインターポーザー技術の最も明確なユースケースの1つです。

3Dパッケージングサポート構造

3D構成では、インターポーザは、より垂直統合されたスタックを支えるベース再配線層として機能する場合があります。ここで重要なのは、配線密度だけでなく、より緊密に結合されたパッケージ内での機械的安定性と垂直相互接続の信頼性です。

光電子複合パッケージング

ガラスインターポーザ技術の最も際立った利点の1つは、その光学的透明性です。この特性により、シリコンインターポーザや有機基板では実現できない設計の可能性が広がります。フォトニック・エレクトロニクス一体型システムでは、光学機能と電気機能を同一基板上に統合できるため、高帯域幅通信やセンシング用途向けに、より小型で効率的なアーキテクチャを実現できます。

これらの使用例は、ガラス製インターポーザーを単純なコスト比較だけで評価できない理由を示しています。パッケージングソリューションによっては、シリコンよりも安価であるという理由でガラスが選択される場合があります。また、光学的アクセス、より大きな基板フォーマット、あるいは他の材料特性といった独自の機能のためにガラスが選ばれる場合もあります。このような場合、ガラスは単に低コストの代替品として機能するだけでなく、他の材料では不可能な設計オプションを可能にする基板としても機能します。

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ガラスインターポーザーに関するよくある質問とプロジェクト計画

ガラスインターポーザーとガラスコア基板の違いは何ですか？

ガラスインターポーザは、ダイとパッケージ基板の間に挿入される受動的な再配線層です。ガラスコア基板は、ダイまたはインターポーザの下に位置し、最終的に基板レベルのパッケージインターフェースに接続される、パッケージ基板全体の構造です。

ガラス製インターポーザーは、シリコン製インターポーザーよりもどのような場合に優れているのでしょうか？

ガラス製インターポーザーは、有機材料では実現できないほどの微細な再配線が必要とされるものの、シリコン製インターポーザーで得られるような極めて高い密度を必要としない場合に、一般的に魅力的な選択肢となります。また、パネル規模の経済性や光学的機能が重要な場合にも、ガラス製インターポーザーはより魅力的な選択肢となります。

ガラス製インターポーザーのプロジェクトを開始するために必要な情報は何ですか？

プロジェクトは通常、ダイサイズ、ダイ数、バンプマップ、ターゲットフットプリント、信号数、データレート、消費電力、およびインターポーザ下のパッケージ構造から始まります。これらの入力情報に基づいて、インターポーザの配線密度、ビア戦略、および積層方向が決定されます。

ガラス製インターポーザーは、標準的なフリップチップ方式で組み立てることができますか？

これらは標準的な高度な組立工程に組み込むことができますが、ツーリングとサポートのアプローチは、ガラスの脆い基板特性を反映したものでなければなりません。組立計画は通常、ガラス基板製造で説明されているより広範なパッケージ工程と併せて検討されます。

プロジェクトの見積もりはどのように作成すべきでしょうか？

有用な見積もりは通常、寸法のみの要求ではなく、パッケージアーキテクチャから始まります。ダイ情報、バンプマップ、フットプリントターゲット、または相互接続制約が既にある場合は、見積もりページからそれらを送信してください。そうすることで、ガラスインターポーザーを実際のパッケージ要件と照らし合わせて検討することができます。