Le conditionnement des puces IA évolue du silicium et des matériaux organiques vers le verre, la céramique et les PCB de classe M8/M9, mais ces nouveaux matériaux sont généralement durs et fragiles, difficiles à usiner.Auteur et source de l'article : Rapport de recherche de Huatai Securities
Les puces AI deviennent de plus en plus grandes, et les matériaux d'emballage ainsi que les équipements de traitement sont également mis en avant.
Le 8 juin, Yang Yunxiao et l'équipe des équipements mécaniques de Huatai Securities ont écrit dans un rapport d'analyse : « La demande croissante rapide pour les puces de calcul AI et la pénurie d'approvisionnement en matériaux d'emballage traditionnels accélèrent le passage vers de nouveaux matériaux tels que le verre, la céramique et les PCB de niveau M8/M9. »
La clé réside dans la seconde partie : le verre, la céramique et les PCB de classe M8/M9 sont difficiles à usiner. Le forage mécanique traditionnel provoque facilement des éclats et des fissures ; l’gravure humide présente une efficacité limitée et un contrôle insuffisant de la morphologie ; le laser ordinaire entraîne facilement des dommages thermiques. La valeur du laser ultra-rapide réside précisément là-dessus.
Le forage mécanique traditionnel, l'gravure humide et les procédés laser ordinaires donnent de mauvais résultats, tandis que le laser ultra-rapide, grâce à ses propriétés de traitement à froid, devient la solution pour le traitement de précision.
Le cadre d'estimation de l'institution inclut les couches intermédiaires en verre, les substrats en verre, les matériaux M9 et les substrats pour modules optiques parmi les applications potentielles, estimant un espace de marché à long terme dépassant 100 milliards de yuans. Toutefois, cet espace ne sera pas réalisé de manière linéaire et dépendra de la capacité des technologies CoPoS, CoWoP, substrats en verre et PCB M9 à entrer en phase de production de masse.
Plus la puce AI est grande, plus les matériaux de conditionnement rencontrent rapidement des limites.
La pression sur le packaging avancé provient d'abord du chip lui-même.
Lors de l'itération des produits NVIDIA, le nombre de puces intégrées et la configuration HBM continuent d'augmenter. Les données montrent que le GP100 dispose de 4 HBM, une capacité de 16 Go et 5 puces intégrées ; le GB100 atteint 8 HBM, une capacité de 192 Go et 10 puces intégrées.
Le chip devient plus grand, la surface de paquetage augmente, ce qui complique le refroidissement, la déformation et la transmission des signaux.
Les principales voies CoWoS actuelles sont classées en trois catégories : S, R et L. CoWoS-S offre les meilleures performances mais le coût le plus élevé, avec une taille maximale de封装 d'environ 2700 mm² ; CoWoS-R est moins coûteux, mais présente des difficultés à contrôler la déformation lors de l'encapsulation de grandes tailles ; CoWoS-L offre un compromis entre coût et performance, mais ses limites en taille maximale, capacité de dissipation thermique et fiabilité restent restrictives.
La prochaine étape de la feuille de route dépend principalement de CoPoS et CoWoP.
CoPoS signifie "carrer le cercle". Il consiste à découper les supports d'emballage à partir de wafers circulaires pour les transformer en panneaux carrés, augmentant ainsi l'efficacité d'utilisation de la surface, tout en remplaçant le silicium ou les intercalaires organiques par du verre.
CoWoP est plus direct : il élimine la plaque ABF et relie directement le substrat en silicium au PCB. Cela raccourcit les chemins d'interconnexion, mais impose des exigences plus élevées au PCB, telles qu'une largeur et un espacement de piste plus petits, des trous remplis sans vide, et des matériaux à faible coefficient de dilatation thermique.
Selon TrendForce et China Television News, TSMC prévoit d'installer une ligne de production à grande échelle CoPoS sur son site de Chiayi ; la livraison des équipements pour la ligne d'essai débutera en février 2026. Lors de l'assemblée générale annuelle des actionnaires de TSMC le 4 juin, le président et PDG, C.C. Wei, a mentionné qu'une ligne d'essai CoPoS et une ligne d'essai pour substrats en verre ont déjà été construites, avec une estimation d'entrée en production à grande échelle dans les 2 à 3 prochaines années. Selon IT Home, NVIDIA vise la production à grande échelle de CoWoP sur Rubin Ultra.
La pénurie de matériaux pousse également l'industrie en avant.
Plaque de support ABF haute performance pour CoWoS, dont les matériaux principaux sont le film ABF et le tissu en verre spécial T-Glass à faible constante diélectrique. Le T-Glass est presque entièrement fourni par Nittobo au Japon, et sa capacité de production est actuellement pleinement saturée.
En parallèle, la prochaine génération de GPU haut de gamme Rubin d'NVIDIA nécessite des substrats ABF avancés pour le conditionnement, ainsi qu'un approvisionnement anticipé, ce qui accentue encore la tension sur l'offre.
C'est l'une des raisons pour lesquelles les matériaux à base de verre sont de nouveau mis en avant.
Le verre, la céramique et le M9 ne sont pas des matériaux du même niveau et ne peuvent pas être remplacés simplement les uns par les autres.
Le marché a tendance à comparer le verre, la céramique et les matériaux M9 ensemble, mais ils ne sont pas entièrement en concurrence au même niveau.
Huatai Securities l'écrit clairement : « Les substrats en verre sont principalement utilisés dans les domaines des interposers et des substrats pour l'emballage avancé, et ne sont pas en conflit avec les matériaux céramiques/M9 utilisés dans les applications PCB. »
La structure traditionnelle CoWoS, de haut en bas, est composée du puce, de l'interposer, du substrat et de la couche PCB. Le verre est principalement utilisé pour l'interposer et le substrat. Les matériaux céramiques et M9 sont davantage utilisés pour les matériaux liés à la PCB ou aux scénarios de dissipation thermique à haute puissance.
Les avantages du verre résident dans sa stabilité dimensionnelle, sa surface plane, ses pertes à haute fréquence faibles et sa capacité à être utilisé pour des vias en verre (TGV). Les données montrent que la constante diélectrique du verre varie entre 3,5 et 10, son coefficient de dilatation thermique (CTE) est ajustable entre 2,7 et 12,4 ppm, et sa planéité de surface peut atteindre moins de 4 nm.
Les orientations de mise à niveau du PCB sont M8, M9, voire M10.
Plus le chiffre est élevé, plus la perte de signal est faible, plus la vitesse est rapide et plus la stabilité est élevée. Le cœur des PCB de niveau M8/M9 repose sur une constante diélectrique Dk plus faible, une perte diélectrique Df plus faible, ainsi qu'un système de fibre de verre à module élevé et à faible coefficient de dilatation et des feuilles de cuivre à profil ultra-fine.
La difficulté avec M9 réside dans le fait que les matériaux sont plus durs. Il introduit du tissu de quartz Q-glass comme matériau de renforcement. Les fibres de quartz de haute pureté ont une dureté Mohs supérieure à 7, contre 5 à 6 pour les fibres de verre E-glass traditionnelles.
The ceramic focuses on heat dissipation and thermal expansion matching.
Les données montrent que le coefficient de conductivité thermique du matériau ABF est de 0,8 à 1,2 W/mK, tandis que celui des substrats céramiques peut atteindre 200 W/mK. Le coefficient de conductivité thermique du nitrure d'aluminium est de 170 à 230 W/mK, celui du nitrure de silicium de 60 à 90 W/mK, et celui du carbure de silicium fritté d'environ 100 à 250 W/mK.
Cela explique pourquoi trois types de matériaux sont susceptibles d'être simultanément surveillés : le verre pour les interposants et les substrats, le M8/M9 pour les interconnexions à haute vitesse, et la céramique pour la dissipation thermique des composants à forte puissance.
Pourquoi « scalpel » : les lasers ultra-rapides minimisent les dommages thermiques
L'essentiel des lasers ultrarapides n'est pas « une puissance plus élevée », mais « un temps plus court ».
Huatai Securities définit les lasers ultra-rapides comme « des lasers dont la durée d'impulsion est de l'ordre de la picoseconde (10−12 s) à la femtoseconde (10−15 s) ».
Sur une aussi courte période, l'énergie arrive rapidement et part rapidement. Le matériau n'a pas eu le temps de dissiper la chaleur, et le retrait est déjà terminé. Ce mécanisme est appelé « ablation froide ».
Cela diffère des lasers à impulsion longue traditionnels.
Les lasers traditionnels ressemblent davantage à « brûler » le matériau. Ils présentent une zone affectée thermiquement importante, ce qui peut entraîner des éclats, des microfissures, une fusion et une carbonisation.
Les lasers ultra-rapides agissent comme un « décapage » des matériaux. Ils interagissent directement au niveau électronique de la surface du matériau grâce à des effets non linéaires tels que l'absorption multiphotonique, réduisant ainsi la diffusion thermique.
Le rapport exprime cela comme suit : « Les lasers ultra-rapides ne constituent pas une simple mise à niveau paramétrique des lasers traditionnels, mais une transformation fondamentale du mécanisme de traitement. »
Dans le traitement réel, cette différence se traduit par trois résultats : une zone affectée thermiquement plus petite, une conicité du trou ajustable et une plus grande flexibilité de forme de traitement.
Les analystes ont souligné que le forage au laser permet de créer des micro-trous de n'importe quelle forme, une capacité difficile à atteindre avec le forage mécanique.
Les trois processus qui illustrent le mieux la demande : TGV, micro-perforations M9, gravure céramique
La première est une plaque de verre TGV.
Les étapes clés du processus de plaques en verre incluent six phases : modification laser TGV, gravure des vias, inspection optique AOI, dépôt de couche semence, électrodéposition des vias, et polissage.
Parmi celles-ci, la modification laser TGV est la première et la plus critique étape.
La raison est simple : le verre manque de capacité de déformation plastique. Une énergie trop élevée ou inégale peut facilement provoquer des microfissures, une concentration de contraintes thermiques ou des défauts internes. Lorsque le diamètre du trou descend en dessous de 30 micromètres, le contrôle de la zone affectée thermiquement devient plus strict.
Les lasers ultra-rapides à impulsions ultra-courtes permettent une modification non thermique à l'intérieur du verre, réduisant les fissures dues au stress thermique et les éclats sur les bords.
La deuxième étape consiste en le traitement de micro-trous PCB de niveau M9.
M9 est conçu pour des environnements de transmission ultra-rapide supérieurs à 1,6 Tbps. Pour réduire les pertes de signal, il intègre des fibres de quartz de haute pureté, ce qui augmente la complexité de fabrication.
Les données montrent que la durée de vie des forets mécaniques traditionnels chute à 1/5 de celle des matériaux traditionnels, et que la précision du diamètre des trous et la position se dégradent également.
Le problème du laser CO₂ est une zone affectée thermiquement trop importante, ce qui peut entraîner la carbonisation de la résine et la déchirure des fibres de verre. Le laser UV nanoseconde présente une faible efficacité d'élimination pour les fibres de verre de quartz très dures et ne permet pas d'obtenir une qualité de paroi de trou idéale.
La valeur du laser ultra-rapide réside dans sa capacité à éliminer précisément les fibres de verre à haute dureté sans carboniser la résine ni court-circuiter les couches de cuivre.
La troisième étape est le usinage précis des substrats céramiques.
Les matériaux céramiques tels que le nitrure d'aluminium, le nitrure de silicium et le carbure de silicium présentent une dureté élevée et une excellente conductivité thermique. Les données indiquent que leur dureté Mohs peut atteindre 7 à 9, et leur coefficient de conductivité thermique peut dépasser 200 W/mK.
Le forage mécanique entraîne une usure rapide de la fraise, des parois de trou rugueuses et des éclats importants. L'énergie du laser ordinaire se dissipe rapidement, formant au contraire une zone affectée thermiquement et des microfissures.
Les lasers ultra-rapides peuvent améliorer ce problème, mais ils ne sont pas sans limites.
Les analystes soulignent également que, dans les processus à haut débit, l'effet d'accumulation thermique des impulsions à haute fréquence peut toujours provoquer des microfissures, nécessitant un contrôle approprié de la fréquence de répétition et de la densité d'énergie. L'industrie explore encore des solutions composites telles que les lasers ultra-rapides à haute énergie, le perçage mécanique préalable suivi d'un ajustement au laser ultra-rapide, le laser assisté par champ magnétique et le laser assisté par basse température.
Quelles hypothèses sous-tendent cet espace de 100 milliards ?
L'espace de marché des équipements laser ultra-rapide provient principalement de quatre applications potentielles : substrats en verre CoPoS, substrats en verre ABF, matériaux M9 et substrats pour modules optiques.
Dans le calcul, le prix unitaire de l'équipement est fixé à 6 millions de yuans. Selon différents taux de pénétration, les marchés existants correspondants sont respectivement :
- Taux de pénétration de 10 % : environ 10,3 milliards de yuans ;
- Taux de pénétration de 30 % : environ 31 milliards de yuans ;
- Taux de pénétration de 50 % : environ 51,6 milliards de yuans ;
- Taux de pénétration de 80 % : environ 82,6 milliards de yuans ;
- Taux de pénétration de 100 % : environ 103,3 milliards de yuans.
Parmi ceux-ci, le matériau M9 contribue le plus. Sous l'hypothèse d'un taux de pénétration de 100 %, le matériau M9 correspond à une demande d'équipements de 11 574 unités ; la plaque de verre ABF correspond à 3 704 unités ; le substrat en verre CoPoS correspond à 1 757 unités ; les plaques de type module optique correspondent à 174 unités.
Ce calcul repose sur deux hypothèses implicites.
Premièrement, le conditionnement avancé s'étend effectivement du CoWoS vers le CoPoS et le CoWoP. TSMC a planifié une ligne de production en série pour le CoPoS et a déjà construit des lignes d'essai pour le CoPoS et les substrats en verre, avec une estimation d'entrée en production à grande échelle dans les 2 à 3 prochaines années.
Deuxièmement, les matériaux tels que le verre, les PCB M9 et la céramique ne sont pas des voies de laboratoire, mais peuvent entrer dans la fabrication à grande échelle. Les commandes d'équipement proviennent finalement des lignes de production en série, et non des récits technologiques.
LPKF se concentre sur le haut de gamme, tandis que les fabricants nationaux poursuivent des solutions complètes.
Le paysage mondial des équipements de laser ultra-rapide est actuellement dominé par des leaders étrangers qui occupent une position d'avance sur les marchés haut de gamme, tandis que les fabricants nationaux accélèrent leur rattrapage.
L'avantage de LPKF Allemagne réside dans le procédé LIDE de gravure laser induite en profondeur. Ce procédé, utilisé pour le traitement de substrats en verre, permet une usinage sans fissures, à haut rapport hauteur/largeur et avec un faible dommage thermique. Son Vitrion S 5000 est conçu pour la micro-usinage de verre fini et les vias TGV, avec un rapport hauteur/largeur maximal pouvant atteindre 1:50.
Les chemins des fabricants nationaux sont plus dispersés et plus proches de la validation des procédés en aval.
Hans Laser, spécialisé dans les équipements dédiés aux PCB, a lancé un équipement de perçage laser ultra-rapide. Son perceuse laser pour verre permet des diamètres de trous traversants allant jusqu'à 10 µm, avec un rapport profondeur/diamètre pouvant atteindre 50:1 pour les matériaux courants.
Hans Laser dispose de technologies de sources lumineuses telles que l'ultraviolet picoseconde et l'infrarouge picoseconde, avec des produits couvrant le micro-usinage de matériaux fragiles comme le verre, le saphir et la céramique, et est compatible avec des procédés avancés tels que mSAP et TGV.
Dirui Laser se concentre sur le TGV en verre. Son équipement laser pour micro-perçage au niveau des wafers prend en charge différents types de verre, avec un diamètre minimal de trou ≤ 5 µm et un rapport profondeur/diamètre pouvant atteindre 1:100.
Inno Laser dispose d'une gamme de produits allant de la nanoseconde à la femtoseconde, de l'infrarouge à l'ultraviolet profond, avec plus de 22 000 lasers vendus, et a obtenu sa première commande pour un équipement de forage ultra-rapide pour PCB.
La machine de perçage laser pour verre de Lianying Laser présente une précision de répétition de ±1 µm, peut traiter du verre jusqu'à 20 mm d'épaisseur, et son équipement de perçage TGV pour verre est actuellement en phase de validation client.
DeLong Laser se spécialise dans les équipements de micro-usinage laser de précision et les lasers laser principaux, avec des lasers solides picoseconde et femtoseconde développés en interne, couvrant des applications telles que TGV, découpe de wafers, et traitement de céramiques et de verre.
Haimoxing se concentre sur la technologie « laser + automatisation », en développant des procédés tels que l'gravure laser et l'induction laser, avec des applications dans les domaines de l'énergie lithium-ion, du photovoltaïque, de l'électronique grand public et de la semi-conducteur.
Le enjeu de la concurrence ne se limite plus aux spécifications individuelles des équipements. Les matériaux de conditionnement avancé sont complexes, avec une fenêtre de processus étroite, et les clients en aval ont besoin d'une solution complète incluant des sources lumineuses, un contrôle de mouvement, des paramètres de procédé, des systèmes de détection et d'automatisation. Les opportunités pour les fabricants nationaux proviennent également de leur capacité à livrer localement et à répondre rapidement sur le plan technique.
Le risque réside dans le rythme de production de masse, pas dans le concept lui-même.
La logique des lasers ultra-rapides est claire : plus le matériau est dur, plus le trou est petit, et plus les dommages thermiques sont inacceptables, plus la valeur des lasers ultra-rapides augmente.
Mais le volume de dispositifs présente toujours trois types de risques.
Premièrement, le développement des technologies de conditionnement avancé est en dessous des attentes. Si les voies telles que CoPoS, CoWoP et les substrats en verre progressent plus lentement que prévu, la demande associée en équipements sera également repoussée.
Deuxièmement, les investissements dans la puissance de calcul de l'IA sont inférieurs aux attentes. La mise à niveau des matériaux d'emballage est principalement motivée par la demande en puces AI haut de gamme ; si les dépenses en capital en aval ralentissent, les commandes d'équipements en seront affectées.
Troisièmement, les risques de tensions commerciales internationales. Les matériaux et équipements d’emballage avancé dépendent de chaînes d’approvisionnement mondiales ; les restrictions commerciales pourraient affecter la validation, la livraison et le rythme d’expansion des clients.
Pour le marché, le laser ultra-rapide n'est pas simplement une histoire de « matériel laser », mais un outil précis indispensable pour la fabrication après le changement de matériaux d'empaquetage avancé.