Multifunctional Cores: Das IC-Substrat als System-Schrittmacher

Die Mikroelektronik entwickelt sich immer schneller in Richtung eines neuen Design-Paradigmas, in dem IC-Substrate nicht mehr nur ein passives Verbindungsstück sind, sondern eine aktive Plattform. Da die Bereiche Prozessor, Speicher, RF (Radio Frequency), Photonik und Energieversorgung immer enger zusammenrücken, wird das Multifunctional Core IC-Substrat zu einem entscheidenden System-Schrittmacher. AT&S entwickelt diese neue Technologie im Rahmen des IPCEI ME/CT (Important Project of Common European Interest on Microelectronics/Communication Technology) und stellt bereits Prototypen im neuen Kompetenzzentrum für R&D und IC-Substrat-Produktion in Leoben her.

Im Rahmen der breit angelegten Advanced-Packaging-Strategie von AT&S verwandelt der Multifunctional Core das Herzstück eines Substrats von einem einfachen mechanischen und signaltechnischen Stützkorsett in eine Hochleistungsplattform, die elektrische, thermische, mechanische und sogar optische Funktionen integriert. Das Ergebnis bringt nicht nur ein dichteres Signalleitungsnetz und eine sauberere Stromversorgung, sondern auch ein Substrat, das neue Funktionen in das physische Zentrum eines Chip-Gehäuses verlagert, die Abstände zwischen den Zuleitungen verkürzt, Störströme reduziert und heterogene Integration in nennenswertem Umfang ermöglicht.

Ein multifunktionaler Kern kombiniert drei wichtige Säulen: Erstens wird der Kern von einem Strukturelement zum zentralen Verteiler, der den Strom in horizontale und vertikale Richtungen weiterleitet und die Wärme von den Hochleistungschips und Speicherstapeln ableitet, während Planarität und Zuverlässigkeit erhalten bleiben. Zweitens wird der Kern zu einer Hochleistungs-Signalplattform: verlustarme Dielektrika, kontrollierte Impedanz-Strukturen, eingebettete passive Bauelemente und präzise konstruierte Referenzebenen stabilisieren Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen. Drittens wird der Kern zu einem Integrationsanker, der Verbindungen durch den Kern hindurch, Kernmaterialien aus Glas oder Verbundwerkstoffen und optimale Kopplungsparameter für Co-Packaged-Optik und enge HF-Koexistenz ermöglicht. Im Alltag bedeutet dies, dass mehr Lagen für Funktionen zur Verfügung stehen, was eine höhere Bandbreitendichte, geringere Induktivität und einen Gehäuseaufbau ermöglicht, der die Systemeffektivität deutlich erhöht.

Herausforderungen bei der Skalierung

Die Integration mehrerer Funktionen in den Kern bringt viele Vorteile, erhöht aber auch die Komplexität. Die Materialkompatibilität ist die erste Einschränkung: Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas, Kupfer und fortschrittlichen Dielektrika müssen ausgeglichen sein, um Spannungen durch thermische Ausdehnungen zu verhindern. Die Verformungstoleranzen werden kleiner, wenn die Gehäuse wachsen und die Lagen dünner werden; Belastungen, die bei gröberen Geometrien marginal waren, werden zentral, wenn die Via-Durchmesser schrumpfen und die Lagenzahl steigt.

Mit dem Vordringen der Kommunikationstechnik in extreme Bandbreiten und mmWave-Betrieb werden dielektrische Verluste und die Kupferoberflächenrauheit innerhalb und in der Nähe des Kerns immer wichtiger. Optimale Stromverteilungsnetzwerke erfordern niederinduktive Leitungen, die thermischen Strukturen nicht beeinträchtigen oder unerwünschte Resonanzen anregen.

AT&S begegnet diesen Anforderungen mit einem ganzheitlichen Ansatz. Der Electronics Service Hub verbindet Multiphysik-Simulationen, einschließlich thermischer, elektrischer und mechanischer Modelle, mit Designregeln auf Systemebene und ermöglicht so Architekturanpassungen, bevor der erste Prototyp gebaut wird. Das Ergebnis ist nicht einfach eine Reihe von isolierten Prozessgewinnen, sondern eine robuste Fähigkeit, die von der Pilotphase auf die Serienproduktion übertragen werden kann.

AT&S-Fahrplan für Multifunctional Core Substrate

In naher Zukunft liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung einzelner Technologiebausteine: Integration von thermisch effizienten Ebenen und dick verkupferten oder sogar voll verkupferten Durchgangsbohrungen in Kerne, die mit ultrafeinen Leiterstrukturen koexistieren; Verbesserung der Zuverlässigkeit von gestapelten Microvias und Durchgangsverbindungen durch den Kern mittels optimierter Füllchemie und thermomechanischem Design; und breite Einführung von verlustarmen dielektrischen Plattformen, um sicherzustellen, dass Hochgeschwindigkeitskanäle zwischen Die und Kern optimal leiten. In dieser Phase werden auch Glaskernsubstrate in Pilotform weiterentwickelt, wobei optische Kopplungsparameter optimiert werden und sichergestellt wird, dass die mechanische Ebenheit und Wölbung innerhalb enger Toleranzen bleiben, wenn die Panels größer werden.

Mittelfristig wird AT&S Multifunctional Cores auf breitere Produktfamilien und größere Panelformate ausweiten und so eine robuste Brücke von Prototypen zur Großserienproduktion schlagen. Die Zusammenarbeit mit Halbleiterpartnern wird im Hinblick auf Multi-Die-Systeme und Speicherschnittstellen mit hoher Bandbreite intensiviert, wobei die ersten Co-Packaged-Optik-Piloten von Core-Architekturen unterstützt werden, die die elektrische Integrität bewahren und gleichzeitig die optische Anbindung ermöglichen. Die Stromversorgungsnetzwerke innerhalb des Kerns entwickeln sich in Richtung geringerer Induktivität und höherer Stromkapazität, ohne dass es zu thermischen Einbußen kommt.

Längerfristig wird der Multifunctional Core zu einer eigenständigen Plattform. Glaskerne mit Durchkontaktierungen werden zum neuen Standard für große Gehäuse mit vielen Ein- und Ausgängen, die Flachheit, Dimensionsstabilität und eine strenge Impedanz-Kontrolle erfordern. Standardisierte Core-Architekturen ermöglichen Chiplet-Ökosysteme mit hochdichten Die-to-Die-Verbindungen, während sich die heterogene Integration auf RF, Photonik und Sensorik ausweitet. Während dieser Entwicklung fungiert das AT&S Kompetenzzentrum für R&D und IC-Substrat-Produktion in Leoben als Kernstück, das Materialien und Prozesse erforscht und zu herstellbaren, zuverlässigen Produkten für erstklassige Kunden führt.

Chiplets und Optik

Mit der zunehmenden Verbreitung von Chiplets verlagert sich die Bandbreitenbegrenzung von On-Die-Netzwerken zu den Schnittstellen, die solche Systeme miteinander verbinden. Wenn die optische Signalleitung immer näher an den Prozessor heranrückt und die HF-Module immer kompakter werden, bilden Stabilität, Dichte und Multiphysik-Leistung des Substrats die Grundlage für die Performance des gesamten Systems. Das Multifunctional Core IC-Substrat erfüllt dieses Anforderungsprofil perfekt. Es bietet den thermischen Spielraum, um Beschleunigerkarten und Speicher auf ihren Effizienzkurven zu halten. Es liefert die verlustarme, taktstabile Verbindungsstruktur, die für Ultrahochgeschwindigkeitskanäle benötigt wird. Die Stromversorgungsintegrität wird von einer reaktiven Maßnahme zur Schadensbegrenzung zu einem proaktiven Element der Architektur. Und das alles in einem Formfaktor und Kostenrahmen, der auf die Massenfertigung auf großen Panels abgestimmt ist.