Ultra-High-Density-Interconnect: Das nächste Level für PCBs und IC-Substrate

Die Elektronik- und Mikroelektronik-Ökosysteme nähern sich rasch einem neuen Paradigma an, bei dem die Dichte und Qualität der Interconnects die Systemleistung ebenso entscheidend beeinflussen wie die Miniaturisierung der Transistoren. Die von AT&S im Rahmen von IPCEI ME/CT (Important Project of Common European Interest on Microelectronics and Communication Technology) entwickelte Ultra-High-Density Interconnect-Technologie (UHDI) ist Ausdruck dieses Wandels. In der Praxis ermöglicht UHDI extrem feine Leiterzüge und Abstände im einstelligen Mikrometerbereich auf den Aufbaulagen von IC-Substraten, dichte Microvia-Architekturen mit Durchmessern hinunter bis zu einigen zehn Mikrometern und enge Lötkugelraster, die für Multi-Die- und Chiplet-Systeme geeignet sind.

Bei UHDI geht es nicht darum, mehr Metall auf kleinerem Raum zu platzieren. Die Technologie ermöglicht die Konstruktion einer verlustarmen, verwindungsresistenten und mechanisch robusten Verbindungsstruktur, die Rechen-, Speicher-, Hochfrequenz- und sogar Photonikkomponenten integriert und Kommunikation mit einer noch nie dagewesenen Bandbreitendichte zulässt, und das alles innerhalb eines für moderne Systeme akzeptablen Energie-, Flächen- und Kostenrahmens. UHDI verbessert die Einfügungsdämpfung und reduziert Übersprechen, was Hochgeschwindigkeitskanäle unterstützt. Die Technologie verändert auch die Leistungsübertragung: Dichtere Stromnetzwerke mit geringerer Induktivität, die immer leistungsfähigere KI- (Künstliche Intelligenz) und HPC-Chips (High Performance Computing) speisen, reagieren schneller auf Lasttransienten und vermindern Spannungsabfälle. So verwandelt UHDI das Chipgehäuse von einem Engpass in einen Multiplikator für Bandbreite und Leistungsintegrität.

„Als Technologie-Innovator arbeitet AT&S schon seit langem an der Grenze der elektronischen Miniaturisierung. Mit unserer UHDI-Technologie sind wir bereit, den nächsten Schritt zu setzen, der unseren Kunden und Partnern völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Wir verkleinern unsere Systeme kontinuierlich und werden eines der ersten Unternehmen weltweit sein, das UHDI-Systeme für fortschrittliche KI- und Rechenzentrumsanwendungen anbietet. Unser neues Kompetenzzentrum für R&D und IC-Substrat-Produktion in Leoben und unsere Beteiligung am IPCEI ME/CT werden unsere Wettbewerbsfähigkeit für die nächsten Jahre sicherstellen“, sagt Markus Leitgeb, Head of Research BU ME bei AT&S.

Strategie auf Systemebene

Mit dichterer Verdrahtung, Lötkugelabständen unter 100 Mikrometern und ultradünnen Redistributionsschichten werden Chiplet- und Multi-Die-Baugruppen vom Konzept zur Produktion übergehen. Entwickler können heterogene Funktionen wie Rechenkerne, HBM-Stacks (High-Bandwidth Memory), RF-Kommunikation und optische Komponenten in einem einzigen Gehäuse kombinieren und dennoch aggressive Leistungs- und Zuverlässigkeitsziele erfüllen. Auf Substraten eröffnen semiadditive Prozesse für feine Leiterbahnen und hochzuverlässige Microvia-Stacks saubere Fluchtwege für hohe Pinzahlen, ohne die Anzahl der Lagen in die Höhe zu treiben oder die Gehäuse in unhandlichen Dimensionen zu zwingen. Auf Leiterplatten ermöglicht UHDI die Verdichtung auf Modulebene und damit fortschrittliche System-in-Package-Konzepte (SiP), eingebettete passive Bauelemente, sowie HF-Strukturen (High Frequency), die sowohl kompakt als auch präzise steuerbar sind.

Diese Vorteile sind besonders wichtig für Anwendungen, die das nächste Jahrzehnt bestimmen werden. Hochleistungscomputer und KI-Beschleuniger sind auf zahlreiche I/Os (Input/Output), saubere Stromversorgung und verlustarme Verbindungen zwischen Logik und Speicher angewiesen. Datenzentrumsnetzwerke und 5G/6G-Infrastrukturen erfordern kompakte, robuste Hochfrequenzverbindungen und sind bereits auf dem Weg zu Co-Packaged-Optics (Einbindung optischer Signalübertragung), um die Bandbreitengrenze zu verschieben. Radarsysteme für Autos und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme benötigen miniaturisierte RF-Frontends (drahtlose Signalübertragung), die auch bei rauen Temperatur- und Vibrationsprofilen stabil und zuverlässig bleiben. Verbraucher-, Medizin- und Industriegeräte profitieren von dünneren Modulen, eingebetteten Funktionen und der Möglichkeit, Sensorik, Datenverarbeitung und Konnektivität auf kleinstem Raum zu integrieren.

Herausforderungen bei der UHDI-Skalierung

Der Weg zu UHDI ist eine umfassende Herausforderung, bei der Materialwissenschaft, Lithografie, Metallisierung, mechanisches Design, Wärmetechnik, Inspektion und Lieferketten aufeinander abgestimmt werden müssen. Da die Gehäuse immer größer und die dielektrischen Schichten immer dünner werden, werden auch die Toleranzfenster für die Ebenheit kleiner. Die Verzugskontrolle wird zu einem zentralen Faktor für die Zuverlässigkeit und Ausbeute, nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch beim Löten und anderen thermischen Prozessen in der Produktion.

Belastungen, die bei gröberen Geometrien marginal waren, werden zu einem limitierenden Faktor, wenn die Via-Durchmesser abnehmen und die Anzahl der Lagen steigt. Kupferermüdung an den Schnittstellen, Hohlräume in den Durchkontaktierungen und die Bildung von leitfähigen anodischen Fäden (CAF) nehmen zu, wenn die Chemie, die Beschichtungsprofile und die Wahl des Dielektrikums nicht genau kontrolliert werden. Hier bietet der Electronics Service Hub von AT&S einen entscheidenden Vorteil für die Kunden, indem er fortschrittliche Belastungssimulationen und Systemdesign-Services einsetzt, die Systemanpassungen ermöglichen, noch bevor der erste Prototyp gebaut wird.

In der Fertigung erfordert UHDI hochauflösende Lithographie und Laserbohren, Beschichtungschemikalien, die zuverlässig Mikrovias ohne eingeschlossene Hohlräume füllen können, sowie integrierte Messtechnik, die in der Lage ist, ultrafeine Merkmale und verborgene Strukturen aufzulösen.

AT&S UHDI-Roadmap

AT&S verfolgt bei UHDI eine klare Roadmap mit mehreren Stufen, die fortschrittliche F&E mit Industrialisierung verbindet. In naher Zukunft liegt der Schwerpunkt auf dem Erreichen von Sub-10-Mikrometer-Leiterbahnen und -Abständen auf Aufbauschichten, der Verbesserung der Zuverlässigkeit von gestapelten Mikrovias durch optimierte Füllchemikalien und thermomechanisches Design sowie der Ausweitung des Einsatzes von verlustarmen dielektrischen Materialien für Hochgeschwindigkeits- und Millimeterwellen-Strukturen. In dieser Phase wird auch die Integration von Glass Cores in Pilotsubstrate beschleunigt (siehe früheren Blog-Beitrag über Glass-Core-Substrate). Integrierte Messtechnik und Automatisierung des Panel-Handlings werden eingesetzt, um stabile Erträge bei wachsenden Panel-Größen zu erzielen.

Mittelfristig entwickelt AT&S die notwendigen Bausteine für große Panelformate und schlägt damit eine Brücke von Prototypen zur Großserienproduktion. Die Zusammenarbeit mit Halbleiterpartnern intensiviert sich in Bezug auf Multi-Die-Systeme, Speicherschnittstellen mit hoher Bandbreite und die ersten Co-Packaged-Optik-Piloten, die durch Substratarchitekturen unterstützt werden, die eine optische Kopplung bei gleichzeitiger Wahrung der elektrischen Integrität und Ebenheit ermöglichen. Längerfristig wird UHDI eher zu einer Plattform als zu einem Feature, wobei das Kompetenzzentrum für R&D und IC-Substrat-Produktion in Leoben als Nukleus fungiert, der die Verbindung zwischen der Forschungsarbeit und den Produktionsprozessen herstellt. Dadurch wird sichergestellt, dass UHDI-Fortschritte mit der von Top-Kunden geforderten Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit umgesetzt werden.

Ein Blick in die Zukunft

Mit der zunehmenden Verbreitung von Chiplets und der Annäherung der Optik an das Gehäuse werden die Dichte, der Verlust und die mechanische Stabilität des Verbindungsmaterials die Obergrenze für die Leistung festlegen. UHDI bietet die nötige Bandbreitendichte, um Daten dorthin zu transportieren, wo sie benötigt werden, die Energieintegrität, um Information genau dann zu übertragen, wenn sie benötigt wird, und die Skalierbarkeit, um dies in großem Maßstab und auf großen Panels zu tun. Die schwierigen Probleme im Zusammenhang mit Verzug, Zuverlässigkeit bei miniaturisierten Geometrien, Signal- und Stromintegrität, Inspektion im Mikrometerbereich und Lieferkettenbereitschaft werden durch eine Kombination aus Materialinnovation, Prozesskontrolle, Messtechnik und virtuellem Design gelöst.

AT&S hat sich diesem Weg verschrieben, indem das Unternehmen bahnbrechende Forschungs- und Entwicklungsergebnisse in produktionstaugliche Plattformen umsetzt und gemeinsam mit Kunden Substrate und Module entwickelt, die das Versprechen von UHDI einlösen. Von KI-Beschleunigern bis hin zu Hochfrequenzkommunikation und miniaturisierten Modulen, die Richtung ist klar: UHDI wird das nächste Jahrzehnt elektronischer Systeme prägen. AT&S baut schon jetzt die Fähigkeiten auf, sie zu realisieren.