AIチップのパッケージングは、シリコンや有機材料からガラス、セラミック、M8/M9級PCBへと移行していますが、新素材は一般的に硬く脆く、加工が難しいです。

文章執筆者、出典：華泰証券レポート

AIチップはますます大型化しており、パッケージング材料と加工装置も同時に注目を集めています。

6月8日、華泰証券機械設備チームの楊雲逍らは研究レポートで、「AI計算チップの需要の急成長と従来のパッケージ材料の供給不足が、先進的パッケージ材料をガラス、セラミック、M8/M9級PCBなどの新素材へと転換させるスピードを加速させている」と記した。

この文の鍵は後半部分にある：ガラス、セラミック、M8/M9級PCBは加工が難しい。従来の機械ドリルは縁の崩れや亀裂を起こしやすく、湿式エッチングは効率と形状制御に限界がある。一般的なレーザーは熱損傷を引き起こしやすい。超短パルスレーザーの価値は、まさにここにある。

従来の機械的ドリリング、湿式エッチング、一般レーザー加工では効果が不十分ですが、超短パルスレーザーは冷加工特性により、精密加工の解決策となります。

この機関の評価フレームワークでは、ガラス中間層、ガラス基板、M9材料、光モジュール用基板を潜在的応用分野に含め、将来的な市場規模は1,000億元を超えると推定しています。しかし、この市場規模は線形的に実現されるわけではなく、CoPoS、CoWoP、ガラス基板、M9 PCBなどの路線が量産段階に進入できるかどうかにかかっています。

AIチップが大きくなるほど、パッケージ材料が先にボトルネックに直面する

先進パッケージングの圧力は、まずチップ自体から来ている。

NVIDIAの製品イテレーションにおいて、パッケージ内チップ数とHBM構成は継続的に増加しています。データによると、GP100はHBM4枚、容量16GB、統合チップ数5個ですが、GB100はHBM8枚、容量192GB、統合チップ数10個に達しています。

チップが大きくなり、パッケージ面積も大きくなるため、放熱、湾曲、信号伝送が難しくなります。

現在の主流のCoWoSルートは、S、R、Lの3種類に分類される。CoWoS-Sは性能が最優秀だがコストが最も高く、パッケージサイズの上限は約2700平方ミリメートルである。CoWoS-Rはコストが低いが、大規模パッケージの変形制御が難しい。CoWoS-Lはコストと性能のバランスを取っているが、サイズ上限や放熱性能、信頼性は依然として制限されている。

次のロードマップは主にCoPoSとCoWoPに注目します。

CoPoSは「円を四角に変える」ことを意味します。これは、封止媒体を円形ウェハから方形パネルに切り替えることで面積利用率を向上させ、シリコンまたは有機中間層の代わりにガラスを使用します。

CoWoPはより直接的で、ABF基板を省略し、シリコン中間層を直接PCBに接合します。これにより接続経路が短縮されますが、PCBにはより高い要件が求められます。例えば、より小さな線幅・線間隔、空隙のない貫通孔充填、低熱膨張材料などです。

TrendForce、中視新聞網によると、TSMCは嘉義工場にCoPoSの量産ラインを設置し、試験生産ラインの機器納入は2026年2月に開始される。6月4日のTSMC株主総会で、会長兼CEOの魏哲家は、現在CoPoSおよびガラス基板の試験生産ラインが完成しており、2～3年以内に大規模量産段階に入ると述べた。IT之家によると、NVIDIAはRubin UltraでCoWoPの量産を実現することを目標としている。

材料の不足も、業界を前へと駆り立てています。

CoWoS用高性能ABF基板の核心材料には、ABFフィルムとT-Glass特殊低誘電ガラス織物が含まれます。T-Glassはほぼすべて日本日東紡から供給されており、現在の生産能力は完全に満杯です。

同時に、NVIDIAの次世代Rubin高級GPUには高級ABF基板が必要であり、事前在庫を確保する必要があるため、供給の逼迫がさらに拡大しています。

これがガラス基材が再び注目される理由の一つです。

ガラス、セラミック、M9は同じ層の材料ではなく、単純に互いに置き換えられるものではありません。

市場では、ガラス、セラミック、M9材料をしばしば比較しますが、これらは完全に同じレベルで競合しているわけではありません。

華泰証券は明確に述べています：「ガラス基板は主に先進パッケージングのインタポジションとサブストレート分野に使用され、PCBアプリケーションにおけるセラミック材料やM9などの材料とは競合しません。」

従来のCoWoS構造は、上からチップ、インターポジター、基板、PCB層です。ガラスは主にインターポジターと基板に使用されます。セラミック基板とM9材料は、PCB関連材料や高電力放熱シナリオに多く使用されます。

ガラスの利点は、寸法安定性が高く、表面が平滑で、高周波損失が低く、TGV（ガラス貫通ビア）を実現できることです。データによると、ガラスの誘電率は3.5～10、CTEは2.7～12.4ppmで調整可能、表面平滑度は4nm未満に達します。

PCBのアップグレード方向はM8、M9、さらにはM10です。

数値が大きいほど、信号伝送損失が少なく、速度が速く、安定性が高くなります。M8/M9グレードのPCBのコアは、より低い誘電率Dk、より低い誘電損失Df、および高弾性率・低膨張ガラス繊維系と超低輪郭銅箔です。

M9の難点は、材料がより硬いことである。它は強化材として石英布Q-glassを導入した。高純度石英繊維のモース硬度は7以上で、従来のE-glass繊維の5〜6より高い。

セラミックは放熱と熱膨張の一致を主な特徴としています。

データによると、ABF材料の熱伝導率は0.8〜1.2W/mKであり、セラミック基板の熱伝導率は最大200W/mKに達します。窒化アルミニウムの熱伝導率は170〜230W/mK、窒化ケイ素は60〜90W/mK、焼結炭化ケイ素は約100〜250W/mKです。

これは、ガラスがインターポジションとサブレートを解決し、M8/M9が高速インターコネクトを解決し、セラミックが高電力放熱を解決するため、三つの材料が同時に注目されている理由を説明しています。

なぜ「メス」か：超高速レーザーが熱損傷を最小限に抑える

超短パルスレーザーのポイントは「出力が大きい」ことではなく、「時間幅が短い」ことである。

華泰証券は、「超短パルスレーザーは、パルス幅がピコ秒（10−12秒）からフェムト秒（10−15秒）の範囲にあるレーザーを指す」と定義している。

短時間でエネルギーが急速に供給され、急速に消える。材料が熱を拡散させる前に除去が完了する。このメカニズムは「冷エーラーション」と呼ばれる。

これは従来の長パルスレーザーとは異なります。

従来のレーザーは材料を「燃やし尽くす」ようなものです。熱影響範囲が広く、崩れや微細亀裂、溶融、炭化を引き起こしやすいです。

超短パルスレーザーは材料を「剥がす」ようなものです。これは、多光子吸収などの非線形効果を通じて、材料表面の電子レベルに直接作用し、熱拡散を低減します。

報告での表現は、「超短パルスレーザーは従来のレーザーの単なるパラメータのアップグレードではなく、加工メカニズムの根本的な変革である」です。

実際の加工において、この差異は以下の3つの結果をもたらします：熱影響範囲が小さくなり、孔の壁の錐度を調整可能になり、加工形状がより柔軟になります。

アナリストは、レーザー钻孔により任意の形状の微細孔を加工できることを指摘しました。これは機械的钻孔では難しいことです。

需要を最もよく表すのは、TGV、M9マイクロホール、セラミックエッチングの3つの工程です。

最初の工程はガラス基板のTGVです。

ガラス基板の主要な製造プロセスは以下の6ステップです：TGVレーザー改質、貫通孔エッチング、AOI光学検査、種層蒸着、電解めっきによる孔埋め、研磨。

その中で、「TGVレーザー改質は最初の工程であり、最も重要な工程です」。

理由は単純です。ガラスは塑性変形の能力が欠けています。エネルギーが過剰または不均一だと、微細亀裂、熱応力の集中、内部欠陥が発生しやすくなります。孔径が30マイクロメートル以下になると、熱影響域の制御がより厳しくなります。

超短パルス超高速レーザーは、ガラス内部で非熱的改質を実現し、熱応力による亀裂や崩れの問題を軽減します。

二つ目の工程は、M9級PCBの微小孔加工です。

M9は1.6Tbps以上の超高速伝送環境向けです。信号損失を低減するため、高純度石英繊維を導入しましたが、これにより加工が難しくなりました。

データによると、従来の機械ドリルの寿命は従来材料の1/5に急激に短縮され、孔径の精度と位置度も悪化します。

CO₂レーザーの問題は熱影響領域が大きすぎることで、樹脂の炭化やガラス繊維の断裂を引き起こす可能性があります。ナノ秒UVレーザーは高硬度の石英ガラス繊維の除去効率が低く、孔壁の品質も理想的ではありません。

超快レーザーの価値は、高硬度のガラス繊維を精密に除去しつつ、樹脂を炭化させず、銅層をショートさせない点にあります。

第三の工程はセラミック基板の精密加工です。

窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素などのセラミック材料は硬度が高く、熱伝導性が優れています。データによると、これらの材料のモース硬度は7〜9に達し、熱伝導率は200W/mK以上になります。

機械ドリルはドリルビットの急速な摩耗、孔壁の粗さ、端面の崩れを引き起こします。一般のレーザーのエネルギーは急速に拡散し、熱影響域と微細亀裂を形成します。

超快レーザーはこの問題を改善できますが、限界もあります。

アナリストは、高スループット加工において、高頻度パルスによる熱蓄積効果が微細亀裂を引き起こす可能性があるため、繰り返し周波数とエネルギー密度を適切に制御する必要があると指摘しています。業界では、高エネルギー超短パルスレーザー、機械的事前ドリリングと超短パルスレーザーによる仕上げ、磁場補助レーザー、低温補助レーザーなどの複合手法の検討が進められています。

千亿规模基于哪些假设？

超快レーザー装置の市場拡大は、主に以下の4つの潜在的応用分野から生じます：CoPoSガラスインタポジション、ABFガラス基板、M9材料、光モジュール用基板。

計算中、機器単価は600万元と仮定しています。異なる浸透率における対応する既存市場規模は以下の通りです：

10%の浸透率：約103億元；
30%の浸透率：約310億元；
50%の浸透率：約516億元；
80%の浸透率：約826億元；
100%の浸透率：約1033億元。

この中で、M9材料が最大の貢献をしています。100%の浸透率を仮定した場合、M9材料に対応する装置需要は11,574台、ABFガラス基板は3,704台、CoPoSガラス中間層は1,757台、光モジュール用基板は174台です。

この計算には二つの暗黙の前提があります。

まず、先進パッケージングはCoWoSからCoPoS、CoWoPへと拡大しています。TSMCはCoPoSの量産ラインを計画しており、CoPoSとガラス基板の試作ラインを既に構築しています。2～3年以内に大規模量産段階に入る見込みです。

第二に、ガラス基板、M9 PCB、セラミックなどの材料は実験室段階の路線ではなく、量産に進むことができる。装置の注文は技術的な物語ではなく、量産ラインから最終的に発生する。

LPKFはハイエンドを守り、国内メーカーは一式のソリューションを追っている

世界の超短パルスレーザー装置市場では、海外のリーディングカンパニーが高級市場で先発優位を占めており、国内メーカーが急ピッチで追いつこうとしています。

ドイツのLPKFの強みは、LIDEレーザー誘導深度エッチングプロセスにあります。このプロセスはガラス基板の加工に使用され、亀裂が発生せず、高アスペクト比、低熱損傷の加工を実現します。Vitrion S 5000は薄ガラスのマイクロ加工およびTGV通孔向けで、最大アスペクト比は1:50まで可能です。

国内メーカーのパスはより分散しており、下流プロセス検証により近い。

大族数控はPCB専用装置向けに、超高速レーザー drilling装置をリリースしました。そのガラスレーザー drilling機の貫通孔直径は最小10µmで、主要材料における深さ対直径比は50:1に達します。

大族激光は、ピコ秒紫外およびピコ秒赤外などの光源技術を有し、ガラス、サファイア、セラミックなどの脆性材料のマイクロ加工に対応する製品を提供しており、mSAPやTGVなどのハイエンドプロセスにも適合します。

帝爾激光專注於玻璃TGV。其晶圓級TGV激光微孔設備可支援多種玻璃材質，最小孔徑≤5µm，徑深比高達1:100。

イノレーザーはナノ秒からフェムト秒、赤外から深紫外まで幅広い製品ラインアップを備えており、レーザー装置の販売台数は22,000台を超え、PCB用超高速ドリリング装置は初回注文を達成しました。

聯贏激光的玻璃激光打孔機重複定位精度為±1µm，可加工20mm厚的玻璃，玻璃TGV打孔設備目前處於客戶驗證階段。

デロングレーザーは、精密レーザーマイクロ加工装置とコアレーザーを主力製品とし、自社開発のピコ秒・フェムト秒固体レーザーをTGV、ウエハー切断、セラミックおよびガラス加工などのシーンに適用しています。

ハイモシンは「レーザー＋自動化」を核とし、レーザーエッチングやレーザー誘導などのプロセスに展開し、リチウム電池、太陽光発電、消費電子、半導体などの分野をカバーしています。

競争の焦点は、もはや単一機器のパラメータだけではありません。先進パッケージング材料は複雑で、プロセスウィンドウが狭く、下流では光源、運動制御、プロセスパラメータ、検査、自動化の一式のソリューションが求められています。国内メーカーの機会は、ローカライズされた納品とエンジニアリング対応能力にもあります。