O empacotamento de chips de IA está evoluindo de silício e materiais orgânicos para vidro, cerâmica e PCBs de classe M8/M9, mas os novos materiais são geralmente duros e frágeis, dificultando o processamento.

Autor e fonte do artigo: Relatório da Huatai Securities

Os chips de IA estão ficando cada vez maiores, e os materiais de encapsulamento e os equipamentos de processamento estão sendo trazidos para o centro das atenções juntos.

Em 8 de junho, Yang Yunxiao e a equipe de máquinas e equipamentos da Huatai Securities escreveram em um relatório de pesquisa: “A demanda crescente rápida por chips de computação de IA e a escassez de suprimentos de materiais de embalagem tradicionais estão acelerando a transição dos materiais de embalagem avançada para novos materiais, como vidro, cerâmica e PCBs de classe M8/M9.”

A chave está na segunda metade da frase: vidro, cerâmica e PCBs de classe M8/M9 são difíceis de processar. A perfuração mecânica tradicional容易 causar lascas e trincas; a corrosão úmida tem eficiência e controle de morfologia limitados; o laser comum容易 causar dano térmico. O valor do laser ultra-rápido está aqui.

A perfuração mecânica tradicional, a corrosão úmida e o processamento a laser comum apresentam desempenho insatisfatório, enquanto o laser ultra-rápido, graças às suas características de processamento a frio, torna-se a solução para processamento preciso.

O quadro de estimativa da instituição inclui camadas intermediárias de vidro, substratos de vidro, materiais M9 e substratos para módulos ópticos como aplicações potenciais, estimando um espaço de mercado futuro superior a cem bilhões de yuans. No entanto, esse espaço não será realizado de forma linear e depende da capacidade das rotas CoPoS, CoWoP, substratos de vidro e PCB M9 de entrarem na fase de produção em massa.

Quanto maior o chip de IA, mais cedo os materiais de encapsulamento atingem o limite.

A pressão do empacotamento avançado vem primeiro do próprio chip.

Durante a iteração dos produtos da NVIDIA, o número de chips no pacote e a configuração HBM continuam aumentando. Os dados mostram que o GP100 possui 4 HBM, capacidade de 16 GB e 5 chips integrados; o GB100 já chegou a 8 HBM, capacidade de 192 GB e 10 chips integrados.

O chip fica maior, a área de encapsulamento aumenta, tornando mais difícil a dissipação de calor, a deformação e a transmissão de sinais.

As principais linhas atuais de CoWoS são divididas em três categorias: S, R e L. O CoWoS-S oferece o melhor desempenho, mas possui o custo mais elevado, com um limite de tamanho de embalagem de aproximadamente 2.700 mm²; o CoWoS-R tem custo mais baixo, mas apresenta dificuldades no controle da distorção em embalagens de grande tamanho; o CoWoS-L equilibra custo e desempenho, mas ainda apresenta limitações em termos de tamanho máximo, capacidade de dissipação de calor e confiabilidade.

O próximo passo da rota depende principalmente do CoPoS e do CoWoP.

CoPoS significa "quadrar o círculo". Ele transforma o substrato encapsulado de wafer circular para painel quadrado, aumentando a utilização da área e substituindo o silício ou o intermediário orgânico por vidro.

CoWoP é mais direto: elimina o substrato ABF e conecta diretamente o intermediário de silício ao PCB. Isso encurta os caminhos de interconexão, mas exige requisitos mais rigorosos para o PCB, como largura e espaçamento de trilhas menores, preenchimento de vias sem vazios e materiais com baixo coeficiente de expansão térmica.

De acordo com a TrendForce e a China Television News, a TSMC planeja implementar uma linha de produção em massa CoPoS em sua unidade em Chiayi, com a linha de protótipo iniciando a entrega de equipamentos em fevereiro de 2026; na assembleia geral de acionistas da TSMC em 4 de junho, o presidente e CEO, Wei Che-Jia, mencionou que já foram construídas linhas de protótipo CoPoS e de substrato de vidro, com previsão de entrada em fase de produção em massa em maior escala dentro de 2 a 3 anos. De acordo com o IT Home, a NVIDIA tem como objetivo alcançar a produção em massa CoWoP no Rubin Ultra.

A escassez de materiais também está impulsionando o setor para frente.

Placa de suporte ABF de alto desempenho para CoWoS, com materiais principais incluindo filme ABF e tecido de vidro especial T-Glass de baixa constante dielétrica. O T-Glass é praticamente fornecido pela Nittobo do Japão, cuja capacidade atual está totalmente ocupada.

Ao mesmo tempo, a próxima geração de GPU Rubin da NVIDIA exige substratos ABF avançados para empacotamento, exigindo estoques antecipados, o que amplia ainda mais a escassez de oferta.

Essa é uma das razões pelas quais os materiais baseados em vidro foram novamente trazidos para o centro das atenções.

Vidro, cerâmica e M9 não são materiais da mesma camada e não podem ser substituídos simplesmente um pelo outro.

O mercado tende a comparar vidro, cerâmica e materiais M9 juntos, mas eles não estão exatamente na mesma categoria de competição.

Huatai Securities escreveu diretamente: "O substrato de vidro é principalmente usado em camadas intermediárias e substratos para empacotamento avançado, e não entra em conflito com materiais como cerâmica/M9 usados em aplicações de PCB."

A estrutura tradicional CoWoS, de cima para baixo, é composta pelo chip, pela camada intermediária, pela placa de suporte e pela camada PCB. O vidro é principalmente utilizado na camada intermediária e na placa de suporte. Materiais baseados em cerâmica e M9 são mais utilizados em materiais relacionados à PCB ou em cenários de dissipação de calor de alta potência.

A vantagem do vidro está na estabilidade dimensional, superfície plana, baixa perda em alta frequência e a capacidade de produzir vias de vidro (TGV). Dados mostram que a constante dielétrica do vidro varia de 3,5 a 10, o CTE pode ser ajustado entre 2,7 e 12,4 ppm, e a planicidade da superfície pode ser alcançada abaixo de 4 nm.

A direção de atualização do PCB é M8, M9 e até M10.

Quanto maior o número, menor é a perda de sinal, mais rápida é a velocidade e maior é a estabilidade. O núcleo das PCBs de classe M8/M9 consiste em menor constante dielétrica Dk, menor perda dielétrica Df, bem como sistema de fibra de vidro de alto módulo e baixa expansão e folha de cobre de perfil ultra baixo.

A dificuldade do M9 reside no fato de que os materiais são mais duros. Ele introduz tecido de sílica Q-glass como material de reforço. A fibra de sílica de alta pureza tem dureza Mohs superior a 7, superando os níveis de 5 a 6 da fibra de vidro E-glass tradicional.

A cerâmica destaca-se por dissipação de calor e compatibilidade de expansão térmica.

Os dados mostram que o coeficiente de condutividade térmica do material ABF varia de 0,8 a 1,2 W/mK, enquanto o coeficiente de condutividade térmica das placas cerâmicas pode atingir 200 W/mK. O coeficiente de condutividade térmica do nitreto de alumínio é de 170 a 230 W/mK, do nitreto de silício, de 60 a 90 W/mK, e do carbeto de silício sinterizado, cerca de 100 a 250 W/mK.

Isso explica por que três tipos de materiais podem ser simultaneamente focados: o vidro para interposers e substratos, M8/M9 para interconexões de alta velocidade e a cerâmica para dissipação de calor em alta potência.

Por que "lâmina de bisturi": o laser ultra-rápido minimiza o dano térmico

O foco dos lasers ultra-rápidos não é "mais potência", mas sim "tempo mais curto".

Huatai Securities define: "Laser ultrarrápido geralmente se refere a lasers com duração de pulso na ordem de picosegundos (10−12 s) a femtosegundos (10−15 s)".

Nesse curto espaço de tempo, a energia chega rapidamente e também se dissipa rapidamente. O material não teve tempo para dissipar o calor, e a remoção já foi concluída. Esse mecanismo é chamado de "ablação a frio".

Isso é diferente dos lasers de pulso longo tradicionais.

Os lasers tradicionais agem mais como “queimando” o material. A zona afetada pelo calor é grande, facilitando o aparecimento de bordas quebradas, microfissuras, fusão e carbonização.

Os lasers ultra-rápidos atuam mais como “descascar” materiais. Eles operam diretamente no nível eletrônico da superfície do material por meio de efeitos não lineares, como absorção de múltiplos fótons, reduzindo a difusão térmica.

O relatório afirma: "O laser ultra-rápido não é simplesmente uma atualização de parâmetros do laser tradicional, mas uma transformação fundamental do mecanismo de processamento."

Na prática, essa diferença se traduz em três resultados: zona afetada pelo calor menor, conicidade do orifício ajustável e maior flexibilidade na forma usinada.

Analistas mencionam que o perfuração a laser pode processar microfuros de qualquer forma, algo difícil de alcançar com a perfuração mecânica.

Três etapas que melhor refletem a demanda: TGV, M9 microfuros e蚀 cerâmica

A primeira é a placa de vidro TGV.

Os processos-chave da placa de vidro incluem seis etapas: modificação a laser TGV, erosão de vias, inspeção óptica AOI, deposição da camada semente, eletrodeposição de preenchimento de vias e polimento.

其中，“TGV laser modification is the first and most critical process”.

A razão é simples: o vidro não possui capacidade de deformação plástica. Energia excessiva ou não uniforme容易产生微裂痕、热应力集中或内部缺陷。当孔径小于30微米时，对热影响区的控制要求更加严格。

Lasers ultrarrápidos com pulsos ultracurtos podem realizar modificação não térmica dentro do vidro, reduzindo problemas de trincas por tensão térmica e lascas.

A segunda etapa é o processamento de microfuros em PCBs de classe M9.

O M9 é voltado para ambientes de transmissão ultra-rápida acima de 1,6 Tbps. Para reduzir a perda de sinal, ele introduz fibra de sílica de alta pureza, mas isso aumenta a dificuldade de processamento.

Os dados mostram que a vida útil da broca mecânica tradicional cai para 1/5 da vida útil do material tradicional, e a precisão do diâmetro do furo e a posição também pioram.

O problema do laser CO₂ é a zona afetada termicamente muito grande, o que pode levar à carbonização da resina e à ruptura das fibras de vidro. O laser UV nanosegundo apresenta baixa eficiência na remoção de fibras de vidro de quartzo de alta dureza e qualidade de parede do furo não ideal.

O valor do laser ultra-rápido está em remover com precisão a fibra de vidro de alta dureza, sem carbonizar a resina nem causar curto-circuito nas camadas de cobre.

A terceira é o processamento fino de substratos cerâmicos.

Materiais cerâmicos como nitreto de alumínio, nitreto de silício e carbeto de silício possuem alta dureza e excelente condutividade térmica. Dados mostram que a dureza Mohs desses materiais pode atingir 7 a 9, e o coeficiente de condutividade térmica pode ultrapassar 200 W/mK.

A perfuração mecânica causa desgaste rápido da broca, paredes de furo ásperas e severos danos nas bordas. A energia do laser comum é rapidamente dispersa, formando em vez disso uma zona afetada pelo calor e microfissuras.

Lasers ultra-rápidos podem melhorar esse problema, mas também têm limites.

Os analistas também alertaram que, no processamento de alto rendimento, o efeito de acúmulo térmico dos pulsos de alta frequência ainda pode induzir microfissuras, exigindo um controle adequado da frequência de repetição e da densidade de energia. A indústria ainda está explorando soluções compostas, como lasers ultra-rápidos de alta energia, perfuração mecânica prévia seguida de ajuste com laser ultra-rápido, laser assistido por campo magnético e laser assistido por baixa temperatura.

Quais suposições geram o espaço de centenas de bilhões?

O espaço de mercado para equipamentos a laser de ultrafrequência provém principalmente de quatro aplicações potenciais: camadas de vidro CoPoS, substratos de vidro ABF, material M9 e substratos para módulos ópticos.

No cálculo, o preço unitário do equipamento é considerado como 6 milhões de yuans. Sob diferentes taxas de penetração, os respectivos espaços de mercado existentes são:

• 10% de penetração: aproximadamente 10,3 bilhões de yuans;
• Taxa de penetração de 30%: cerca de 31 bilhões de yuans;
• Taxa de penetração de 50%: aproximadamente 51,6 bilhões de yuans;
• Taxa de penetração de 80%: aproximadamente 82,6 bilhões de yuans;
• Taxa de penetração de 100%: aproximadamente 103,3 bilhões de yuans.

Neste contexto, o material M9 contribuiu mais. Sob a suposição de 100% de taxa de penetração, o material M9 corresponde a uma demanda de 11.574 equipamentos; o substrato de vidro ABF corresponde a 3.704 equipamentos; o intermediário de vidro CoPoS corresponde a 1.757 equipamentos; e os substratos para módulos ópticos correspondem a 174 equipamentos.

Este cálculo tem duas premissas implícitas.

Primeiro, o empacotamento avançado realmente se expandiu de CoWoS para CoPoS e CoWoP. A TSMC já planejou linhas de produção em massa para CoPoS e já construiu linhas de protótipo para CoPoS e substratos de vidro, com previsão de entrada em produção em grande escala dentro de 2 a 3 anos.

Em segundo lugar, materiais como vidro base, PCB M9 e cerâmica não são rotas de laboratório, mas sim capazes de entrar na fabricação em escala. Os pedidos de equipamentos vêm finalmente das linhas de produção em massa, não de narrativas tecnológicas.

LPKF mantém o alto padrão; os fabricantes nacionais buscam soluções completas

O cenário global de equipamentos a laser ultra-rápido atualmente é dominado por líderes internacionais no mercado de alto nível, enquanto as empresas locais aceleram sua追赶.

A vantagem da LPKF da Alemanha está no processo LIDE de蚀刻 induzido por laser. Esse processo é utilizado para processamento de substratos de vidro, permitindo usinagem sem rachaduras, com alta razão de aspecto e baixo dano térmico. Seu Vitrion S 5000 é voltado para microprocessamento de vidro fino e vias TGV, com razão de aspecto máxima de até 1:50.

O caminho dos fabricantes nacionais é mais disperso e mais próximo da validação do processo a jusante.

Hans CNC, voltada para equipamentos especializados em PCB, já lançou equipamentos de perfuração a laser de ultraalta velocidade. Sua máquina de perfuração a laser para vidro alcança diâmetro mínimo de 10 µm para vias cegas e relação profundidade-diâmetro de até 50:1 para materiais principais.

A Han's Laser possui tecnologias de fontes de luz como ultravioleta de picosegundo e infravermelho de picosegundo, com produtos que abrangem microprocessamento de materiais frágeis como vidro, safira e cerâmica, e são compatíveis com processos avançados como mSAP e TGV.

Dier Laser se concentra em TGV de vidro. Seu equipamento de microperfuração a laser em nível de wafer para TGV suporta diferentes tipos de vidro, com diâmetro mínimo de ≤5µm e relação de aspecto de até 1:100.

A Innolaser possui uma gama de produtos que abrange desde nanosegundos até femtosegundos, desde infravermelho até ultravioleta profundo, com mais de 22.000 unidades de lasers vendidas, e já conquistou seu primeiro pedido de equipamentos de perfuração ultra-rápida para PCB.

A máquina de perfuração a laser para vidro da Lianying Laser possui precisão de reposicionamento repetitivo de ±1 µm, pode processar vidro de 20 mm de espessura, e o equipamento de perfuração TGV para vidro está na fase de validação pelo cliente.

A Delong Laser se especializa em equipamentos de microprocessamento a laser preciso e lasers principais de desenvolvimento próprio, incluindo lasers sólidos de picosegundo e femtosegundo, cobrindo cenários como TGV, corte de wafer, e processamento de cerâmica e vidro.

Haimoxing, com foco em "laser + automação", desenvolve processos como laser de蚀刻 e laser induzido, atuando nos setores de baterias de íon-lítio, energia solar, eletrônicos de consumo e semicondutores.

O foco da competição já não é mais apenas os parâmetros de um único equipamento. Os materiais de empacotamento avançado são complexos, com janelas de processo estreitas, e os clientes a jusante precisam de soluções completas que incluam fontes de luz, controle de movimento, parâmetros de processo, inspeção e automação. As oportunidades para fabricantes locais também vêm da capacidade de entrega localizada e resposta de engenharia.

O risco está no ritmo da produção em massa, não no próprio conceito

A lógica do laser ultra-rápido é clara: quanto mais duro for o material, menor for o furo e menos aceitável for o dano térmico, maior será o valor do laser ultra-rápido.

Mas ainda existem três tipos de riscos com a liberação de dispositivos.

Primeiro, o desenvolvimento das tecnologias de empacotamento avançado não atingiu as expectativas. Se as abordagens como CoPoS, CoWoP e substratos de vidro avançarem mais lentamente do que o previsto, a demanda por equipamentos relacionados também será adiada.

Em segundo lugar, o investimento em capacidade de IA não atingiu as expectativas. O impulso fundamental para a atualização dos materiais de encapsulamento vem da demanda por chips de IA de alto desempenho; se os gastos de capital a jusante desacelerarem, os pedidos de equipamentos serão afetados.

Terceiro, o risco de atritos comerciais internacionais. Materiais e equipamentos de encapsulamento avançado dependem da cadeia de suprimentos global; restrições comerciais podem afetar a verificação, a entrega e o ritmo de expansão dos clientes.

Para o mercado, o laser ultra-rápido não é apenas uma história de "equipamento a laser", mas sim uma lâmina precisa que precisa ser adicionada ao processo de fabricação após a mudança nos materiais de encapsulamento avançado.