Упаковка чипов ИИ переходит от кремния и органических материалов к стеклу, керамике и PCB уровня M8/M9, но новые материалы, как правило, твердые и хрупкие, трудно поддаются обработке.

Автор и источник статьи: отчет от Huatai Securities

Чипы ИИ становятся все больше, и материалы для упаковки, а также оборудование для обработки одновременно выходят на первый план.

8 июня в отчете команда машиностроения Huatai Securities под руководством Ян Юньсяо написала: «Быстрый рост спроса на чипы для ИИ-вычислений и дефицит традиционных материалов для упаковки ускоряют переход на новые материалы для передовых методов упаковки, такие как стекло, керамика и PCB уровня M8/M9».

Ключевым моментом является вторая часть предложения: стекло, керамика и PCB классов M8/M9 трудно обрабатывать. Традиционное механическое сверление легко вызывает сколы и трещины; влажное травление имеет ограниченную эффективность и контроль над формой; обычный лазер часто приводит к тепловому повреждению. Именно здесь проявляется ценность сверхбыстрых лазеров.

Традиционные механические сверление, мокрое травление и обычные лазерные технологии дают плохие результаты, тогда как сверхбыстрые лазеры благодаря свойствам холодной обработки становятся решением для точной обработки.

Расчетная модель этой организации включает потенциальные применения стеклянного промежуточного слоя, стеклянной подложки, материала M9 и подложек для оптических модулей, оценивая дальнейший рыночный потенциал выше千亿юаней. Однако этот потенциал не реализуется линейно и зависит от того, смогут ли технологии CoPoS, CoWoP, стеклянные подложки и PCB на основе M9 выйти на этап серийного производства.

Чем больше ИИ-чип, тем раньше материалы упаковки сталкиваются с ограничениями

Давление на передовые упаковки в первую очередь исходит от самих чипов.

В ходе итераций продуктов NVIDIA количество чипов в упаковке и конфигурация HBM постоянно увеличиваются. Согласно данным, у GP100 — 4 чипа HBM, емкость 16 ГБ, общее количество интегрированных чипов — 5; у GB100 — 8 чипов HBM, емкость 192 ГБ, общее количество интегрированных чипов — 10.

Увеличение размера чипа и площади упаковки усложняет теплоотвод, коробление и передачу сигналов.

Существующие основные направления CoWoS делятся на три категории: S, R и L. CoWoS-S обеспечивает наилучшую производительность, но имеет самую высокую стоимость, а максимальный размер упаковки составляет около 2700 квадратных миллиметров; CoWoS-R имеет более низкую стоимость, но трудно контролировать деформацию при больших размерах упаковки; CoWoS-L представляет собой компромисс между стоимостью и производительностью, однако его максимальный размер, способность к теплоотводу и надежность остаются ограниченными.

Следующий шаг в маршруте зависит от CoPoS и CoWoP.

CoPoS означает «квадратизация круга». Он преобразует корпус с круглой волны в квадратную панель, чтобы повысить коэффициент использования площади, и заменяет кремний или органический интерпозит стеклом.

CoWoP предлагает более прямой подход: исключает подложку ABF и напрямую крепит кремниевый интерпозит к PCB. Это сокращает длину соединений, но предъявляет более высокие требования к PCB, включая меньшую ширину и шаг проводников, заполнение отверстий без зазоров и материалы с низким коэффициентом теплового расширения.

Согласно TrendForce и новостному агентству China Television, TSMC планирует запустить производственную линию CoPoS на своем заводе в Цзяи; поставка оборудования для опытной линии начнется в феврале 2026 года. На ежегодном собрании акционеров TSMC 4 июня председатель и генеральный директор Вэй Чжэцзя отметил, что опытные линии CoPoS и стеклянных платформ уже построены, и ожидается, что массовое производство в крупных масштабах начнется через 2–3 года. Согласно IT Home, NVIDIA стремится к запуску массового производства CoWoP на Rubine Ultra.

Нехватка материалов также толкает отрасль вперед.

Высокопроизводительная ABF-подложка для CoWoS, основные материалы которой включают пленку ABF и специальную низкодиэлектрическую стеклоткань T-Glass. T-Glass «почти полностью поставляется японской Nittobo, и текущие производственные мощности полностью загружены».

В то же время для следующего поколения высококлассных GPU Rubin от NVIDIA требуются продвинутые ABF-платы для упаковки, а также досрочное формирование запасов, что дополнительно усиливает дефицит предложения.

Это одна из причин, по которым стеклянные материалы снова вышли на передний план.

Стекло, керамика и M9 — это материалы разных уровней, они не могут быть просто взаимозаменяемы.

Рынок часто сравнивает стекло, керамику и материалы M9 вместе, но они не находятся на одном и том же уровне конкуренции.

Хуатай Секьюритиз прямо пишет: «Стеклянные основы в основном используются в качестве интерпозитов и субстратов для передовых упаковок и не конкурируют с керамическими материалами/M9, применяемыми в PCB».

Традиционная структура CoWoS сверху вниз состоит из чипа, интерпозитора, субстрата и слоя PCB. Стекло в основном используется для интерпозитора и субстрата. Керамические основы и материалы M9 чаще применяются в связанных с PCB материалах или сценариях высокой мощности для отвода тепла.

Преимущества стекла заключаются в стабильных размерах, плоской поверхности, низких потерях на высоких частотах и возможности создания TGV-отверстий в стекле. Согласно данным, диэлектрическая проницаемость стекла составляет от 3,5 до 10, коэффициент линейного расширения (CTE) регулируется в диапазоне от 2,7 до 12,4 ppm, а плоскостность поверхности может достигать менее 4 нм.

Направления обновления PCB — M8, M9 и даже M10.

Чем выше номер, тем ниже потери сигнала, выше скорость и выше стабильность. Ядро PCB уровня M8/M9 — это более низкая диэлектрическая постоянная Dk, более низкие диэлектрические потери Df, а также система стекловолокна с высоким модулем и низким коэффициентом расширения и медная фольга с сверхнизкой профильной высотой.

Сложность M9 заключается в более твердом материале. Он использует кварцевую ткань Q-glass в качестве армирующего материала. Высокочистое кварцевое стекловолокно имеет твердость по шкале Мооса более 7, что выше, чем у традиционного стекловолокна E-glass с твердостью 5–6.

Ceramic focuses on heat dissipation and thermal expansion matching.

Данные показывают, что коэффициент теплопроводности материала ABF составляет от 0,8 до 1,2 Вт/м·К, в то время как коэффициент теплопроводности керамических плат может достигать 200 Вт/м·К. Коэффициент теплопроводности нитрида алюминия составляет от 170 до 230 Вт/м·К, нитрида кремния — от 60 до 90 Вт/м·К, а спеченного карбида кремния — примерно от 100 до 250 Вт/м·К.

Это объясняет, почему три типа материалов могут привлекать одновременное внимание: стекло решает задачи посредников и субстратов, M8/M9 — высокоскоростные соединения, керамика — теплоотвод при высокой мощности.

Почему «хирургический нож»: сверхбыстрые лазеры минимизируют тепловое повреждение

Суть сверхбыстрых лазеров — не в «большей мощности», а в «более коротком времени».

Хуатай Секьюрити определяет как: «сверхбыстрые лазеры обычно относятся к лазерам с длительностью импульса в диапазоне пикосекунд (10−12 с) до фемтосекунд (10−15 с)».

За такое короткое время энергия приходит быстро и уходит быстро. Материал не успевает рассеять тепло, а удаление уже завершено. Этот механизм называется «холодным аблационным».

Это отличается от традиционных длинных импульсных лазеров.

Традиционные лазеры больше похожи на «сжигание» материала. Область термического воздействия велика, что приводит к сколам, микротрещинам, плавлению и карбонизации.

Сверхбыстрые лазеры больше похожи на «снятие» материала. Они воздействуют непосредственно на электронный уровень поверхности материала за счет нелинейных эффектов, таких как мультифотонное поглощение, снижая тепловую диффузию.

Отчет описывает это как: «Сверхбыстрые лазеры — это не просто параметрическое усовершенствование традиционных лазеров, а фундаментальное изменение механизма обработки».

В реальном производстве эта разница приводит к трем результатам: меньшая зона термического воздействия, регулируемая конусность отверстия и более гибкая форма обработки.

Аналитики отметили, что лазерное сверление позволяет обрабатывать микропоры любой формы, что трудно достижимо при механическом сверлении.

Три процесса лучше всего отражают спрос: TGV, микропоры M9, керамическое травление

Первая — стеклянная подложка TGV.

Ключевые этапы производства стеклянных плат включают шесть шагов: лазерная модификация TGV, этching отверстий, оптический контроль AOI, нанесение семенного слоя, электролитическое заполнение отверстий и шлифовка.

При этом «лазерная модификация TGV» — это первый и самый важный этап.

Причина проста: стекло не обладает способностью к пластической деформации. При чрезмерной или неравномерной энергии легко возникают микротрещины, концентрация тепловых напряжений или внутренние дефекты. При диаметре отверстия менее 30 микрометров контроль зоны теплового воздействия становится более строгим.

Сверхкороткие импульсы сверхбыстрых лазеров позволяют реализовать нетепловое модифицирование внутри стекла, снижая проблемы термических напряжений и трещин.

Второй этап — обработка микропроходов в PCB класса M9.

M9 предназначена для сред с передачей выше 1,6 Тбпс. Для снижения потерь сигнала в ней использованы кварцевые волокна высокой чистоты, но это повысило сложность обработки.

Данные показывают, что срок службы традиционных механических сверл снижается до 1/5 от срока службы традиционных материалов, а точность диаметра отверстия и позиционирование ухудшаются.

Проблема с CO₂-лазером заключается в чрезмерно большой зоне термического воздействия, что может привести к карбонизации смолы и разрыву стекловолокна. Наносекундный УФ-лазер имеет низкую эффективность удаления высокотвердого кварцевого стекловолокна, а качество стенок отверстий также неудовлетворительное.

Ценность сверхбыстрых лазеров заключается в том, что они могут точно удалять высокотвердые стекловолокна, не обугливая смолу и не вызывая короткого замыкания медных слоев.

Третий этап — точная обработка керамической платы.

Керамические материалы, такие как нитрид алюминия, нитрид кремния и карбид кремния, обладают высокой твердостью и отличной теплопроводностью. Согласно данным, их твердость по шкале Мооса может достигать 7–9, а коэффициент теплопроводности — более 200 Вт/м·К.

Механическое сверление приводит к быстрому износу сверла, шероховатости стенок отверстия и серьезному сколу краев. Энергия обычного лазера быстро рассеивается, образуя тепловую зону влияния и микротрещины.

Сверхбыстрые лазеры могут улучшить эту проблему, но у них тоже есть пределы.

Аналитики также предупреждают, что при высокопроизводительной обработке тепловое накопление от высокочастотных импульсов может вызвать микротрещины, поэтому необходимо рационально контролировать частоту повторения и плотность энергии. Отрасль продолжает исследовать комбинированные решения, такие как высокомощные сверхбыстрые лазеры, механическое предварительное сверление с последующей обработкой сверхбыстрым лазером, лазерная обработка с магнитным полем и лазерная обработка при низких температурах.

Из каких предположений исходит рынок в 1 триллион долларов?

Рыночный потенциал сверхбыстрых лазерных устройств в основном обусловлен четырьмя типами потенциальных применений: стеклянные интерпозиты CoPoS, стеклянные платы ABF, материалы M9 и платы для оптических модулей.

В расчетах цена за единицу оборудования принята равной 6 миллионам юаней. При различных уровнях проникновения соответствующие объемы существующего рынка составляют:

• 10% проникновения: около 10,3 млрд юаней;
• 30% уровень проникновения: около 31 млрд юаней;
• 50% уровень проникновения: около 51,6 млрд юаней;
• 80% уровень проникновения: около 82,6 млрд юаней;
• 100% уровень проникновения: около 103,3 млрд юаней.

Наибольший вклад вносит материал M9. При предположении об уровне проникновения 100% спрос на оборудование для материала M9 составляет 11 574 единицы; для стеклянной подложки ABF — 3 704 единицы; для стеклянного интерпозитора CoPoS — 1 757 единиц; для подложек оптических модулей — 174 единицы.

Этот расчет основан на двух скрытых предпосылках.

Во-первых, передовые упаковочные технологии действительно расширяются от CoWoS к CoPoS и CoWoP. TSMC уже запланировала линию серийного производства CoPoS и построила опытные линии для CoPoS и стеклянных субстратов, ожидая выхода на значительный масштаб серийного производства через 2–3 года.

Во-вторых, такие материалы, как стеклянные основы, M9 PCB и керамика, не являются лабораторными решениями, а могут быть внедрены в масштабное производство. Заказы на оборудование в конечном итоге поступают с линий массового производства, а не от технологических нарративов.

LPKF сохраняет позиции на высоком уровне, а отечественные производители стремятся к полным решениям

Глобальная структура рынка сверхбыстрых лазерных устройств: в настоящее время зарубежные лидеры занимают первоочередные позиции на сегменте высококлассного оборудования, а отечественные производители активно догоняют.

Преимущество немецкой компании LPKF заключается в технологии лазерно-индуцированного глубокого травления LIDE. Эта технология применяется для обработки стеклянных подложек и обеспечивает обработку без трещин, с высоким соотношением глубины к ширине и минимальным тепловым повреждениями. Их устройство Vitrion S 5000 предназначено для микрообработки тонкого стекла и создания TGV-отверстий, обеспечивая максимальное соотношение ширины к глубине до 1:50.

Пути отечественных производителей более разнообразны и теснее связаны с верификацией нижестоящих производственных процессов.

Hans Laser предлагает специализированное оборудование для PCB и выпустило сверхбыстрые лазерные установки для сверления. Минимальный диаметр сквозного отверстия в стекле составляет 10 мкм, а соотношение глубины к диаметру для основных материалов достигает 50:1.

Hans Laser обладает технологиями источников света с пикосекундным ультрафиолетовым и пикосекундным инфракрасным излучением, продукция охватывает микрообработку хрупких материалов, таких как стекло, сапфир и керамика, а также совместима с передовыми технологиями, такими как mSAP и TGV.

Dirui Laser фокусируется на TGV для стекла. Их оборудование для лазерного микропробивания на уровне вайфера поддерживает различные типы стекла, минимальный диаметр отверстия ≤5 мкм, соотношение диаметра к глубине до 1:100.

Inno Laser имеет продуктовую линейку от наносекунд до фемтосекунд, от инфракрасного до глубокого ультрафиолетового диапазонов; объем продаж лазеров превысил 22 000 единиц, а оборудование для сверхбыстрого сверления PCB получило первый заказ.

Повторяемая точность позиционирования лазерного станка для сверления стекла от Linkwin Laser составляет ±1 мкм, возможно обработка стекла толщиной до 20 мм, оборудование для сверления TGV в стекле находится на стадии проверки клиентами.

DeLong Laser специализируется на оборудовании для точной лазерной микрообработки и основных лазерах, разрабатывая собственные твердотельные лазеры с длительностью импульса в пикосекундном и фемтосекундном диапазонах, охватывая сценарии, такие как TGV, резка вайфлов, обработка керамики и стекла.

Хаймосинь фокусируется на технологии «лазер + автоматизация», развивая процессы лазерной эрозии и лазерной индукции, охватывая такие сферы, как литий-ионные батареи, солнечная энергетика, потребительская электроника и полупроводники.

Конкуренция теперь сосредоточена не только на параметрах отдельного оборудования. Материалы для передовых упаковок сложны, окно процесса узко, и нижестоящие производители требуют комплексных решений, включающих источники света, управление движением, параметры процесса, контроль и автоматизацию. Возможности для отечественных производителей также связаны с локализацией поставок и способностью оперативно реагировать на инженерные задачи.

Риск заключается в темпе масштабирования, а не в самой концепции

Логика сверхбыстрых лазеров ясна: чем тверже материал, чем меньше отверстие и чем менее приемлемы тепловые повреждения, тем ценнее сверхбыстрый лазер.

Однако при увеличении объема оборудования остаются три типа рисков.

Во-первых, развитие технологий передовой упаковки отстает от ожиданий. Если такие направления, как CoPoS, CoWoP и стеклянные субстраты, продвигаются медленнее ожидаемого, спрос на соответствующее оборудование также отложится.

Во-вторых, инвестиции в ИИ-вычислительные мощности оказались ниже ожиданий. Основной драйвер обновления упаковочных материалов — спрос на высокопроизводительные ИИ-чипы; если капитальные затраты на стороне конечного потребителя замедлятся, заказы на оборудование пострадают.

Третье, риск торговых трений. Материалы и оборудование для передовых упаковок зависят от глобальных цепочек поставок, и торговые ограничения могут повлиять на проверку, поставки и темпы расширения производства клиентами.

Для рынка сверхбыстрые лазеры — это не просто история «лазерного оборудования», а точный инструмент, который необходимо добавить на этапе производства после перехода на передовые материалы для упаковки.