Việc đóng gói chip AI đang chuyển từ silicon và vật liệu hữu cơ sang thủy tinh, gốm và PCB cấp M8/M9, nhưng các vật liệu mới này thường cứng và giòn, khó gia công.

Tác giả bài viết, nguồn: Báo cáo nghiên cứu của Huatai Securities

Các chip AI ngày càng được sản xuất lớn hơn, vật liệu đóng gói và thiết bị gia công đang cùng nhau được đưa lên hàng đầu.

Vào ngày 8 tháng 6, nhóm thiết bị cơ khí của Công ty Chứng khoán Hoa Thái, bao gồm Dương Vân Tiêu, đã viết trong báo cáo nghiên cứu: “Nhu cầu tăng trưởng nhanh chóng đối với chip tính toán AI và nguồn cung vật liệu đóng gói truyền thống khan hiếm đang thúc đẩy nhanh chóng chuyển đổi vật liệu đóng gói tiên tiến sang các vật liệu mới như thủy tinh, gốm, PCB cấp M8/M9.”

Khó khăn chính nằm ở phần sau: thủy tinh, gốm sứ và PCB cấp M8/M9 đều khó gia công. Khoan cơ học truyền thống dễ gây bong cạnh, nứt; ăn mòn ướt có hiệu suất và khả năng kiểm soát hình thái hạn chế; laser thông thường dễ gây tổn thương nhiệt. Giá trị của laser siêu nhanh chính nằm ở đây.

Việc khoan cơ học truyền thống, ăn mòn ướt và gia công laser thông thường cho hiệu quả không tốt, trong khi laser siêu nhanh với đặc tính gia công lạnh trở thành giải pháp cho gia công chính xác.

Khung tính toán của tổ chức này bao gồm các ứng dụng tiềm năng như lớp trung gian thủy tinh, bảng nền thủy tinh, vật liệu M9 và bảng mạch cho mô-đun quang, đưa ra không gian thị trường dài hạn vượt quá 100 tỷ nhân dân tệ. Tuy nhiên, không gian này không được thực hiện theo cách tuyến tính, mà phụ thuộc vào việc các lộ trình như CoPoS, CoWoP, bảng mạch thủy tinh và M9 PCB có thể bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt hay không.

Kích thước chip AI càng lớn, vật liệu đóng gói càng sớm chạm tới giới hạn

Áp lực từ đóng gói tiên tiến bắt nguồn từ chính bản thân chip.

Trong quá trình cải tiến sản phẩm của NVIDIA, số lượng chip trong bao bì và cấu hình HBM liên tục tăng lên. Dữ liệu cho thấy, GP100 có 4 HBM, dung lượng 16GB và tích hợp 5 chip; GB100 đã đạt 8 HBM, dung lượng 192GB và tích hợp 10 chip.

Kích thước chip tăng lên, diện tích đóng gói cũng tăng theo, khiến việc tản nhiệt, cong vênh và truyền tín hiệu trở nên khó khăn hơn.

Các tuyến đường CoWoS chính hiện nay được chia thành ba loại: S, R và L. CoWoS-S có hiệu năng tối ưu nhất nhưng chi phí cao nhất, kích thước đóng gói tối đa khoảng 2700 mm²; CoWoS-R có chi phí thấp hơn nhưng khó kiểm soát hiện tượng cong vênh trong đóng gói kích thước lớn; CoWoS-L cân bằng giữa chi phí và hiệu năng, nhưng vẫn bị hạn chế về kích thước tối đa, khả năng tản nhiệt và độ tin cậy.

Bước tiếp theo sẽ chủ yếu tập trung vào CoPoS và CoWoP.

CoPoS là "hóa tròn thành vuông". Nó cắt vật liệu đóng gói từ wafer tròn sang bảng vuông để tăng hiệu suất sử dụng diện tích, đồng thời thay thế silicon hoặc lớp trung gian hữu cơ bằng thủy tinh.

CoWoP thì trực tiếp hơn: loại bỏ bo mạch ABF và gắn trực tiếp lớp trung gian silicon lên PCB. Điều này giúp rút ngắn đường dẫn kết nối, nhưng đòi hỏi PCB có yêu cầu cao hơn, bao gồm khoảng cách và chiều rộng đường dẫn nhỏ hơn, lỗ điền đầy không khe hở, vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp, v.v.

Theo TrendForce và China Television News, TSMC lên kế hoạch triển khai dây chuyền sản xuất hàng loạt CoPoS tại khu vực Chiayi, với dây chuyền thử nghiệm bắt đầu giao thiết bị vào tháng 2 năm 2026; tại đại hội cổ đông thường niên ngày 4 tháng 6, Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc TSMC, ông Wei Che-Jia, cho biết hiện đã hoàn thành dây chuyền thử nghiệm CoPoS và bo mạch thủy tinh, dự kiến trong 2 đến 3 năm tới sẽ bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt quy mô lớn. Theo IT Home, NVIDIA nhắm mục tiêu đạt sản xuất hàng loạt CoWoP trên Rubin Ultra.

Sự khan hiếm nguyên vật liệu cũng đang thúc đẩy ngành tiến lên.

Tấm đế ABF hiệu suất cao dành cho CoWoS, vật liệu cốt lõi bao gồm màng ABF và vải thủy tinh đặc biệt T-Glass có hằng số điện môi thấp. T-Glass “hầu như hoàn toàn do Nittobo của Nhật Bản cung cấp, hiện tại công suất đã hoàn toàn đầy”.

Đồng thời, GPU cao cấp Rubin thế hệ tiếp theo của NVIDIA yêu cầu bo mạch nền ABF cao cấp để đóng gói, đồng thời cần dự trữ trước, làm gia tăng thêm tình trạng thiếu hụt nguồn cung.

Đây là một trong những lý do khiến vật liệu dựa trên thủy tinh được đưa trở lại vị trí trung tâm.

Thủy tinh, gốm sứ, M9 không phải là các vật liệu cùng cấp, không thể thay thế đơn giản cho nhau

Thị trường thường so sánh thủy tinh, gốm sứ và vật liệu M9 với nhau. Nhưng chúng không hoàn toàn cạnh tranh ở cùng một cấp độ.

Huatai Securities viết rất trực tiếp: “Cơ sở thủy tinh chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực trung gian và bảng nền cho đóng gói tiên tiến, không xung đột với các vật liệu như gốm/M9 trong ứng dụng PCB.”

Cấu trúc CoWoS truyền thống từ trên xuống dưới gồm chip, lớp trung gian, bảng đế và lớp PCB. Thủy tinh chủ yếu được sử dụng cho lớp trung gian và bảng đế. Vật liệu nền gốm và M9 thường được dùng cho các vật liệu liên quan đến PCB hoặc các tình huống tản nhiệt công suất cao.

Ưu điểm của thủy tinh là độ ổn định kích thước, bề mặt phẳng, tổn thất tần số cao thấp và có thể thực hiện lỗ thông thủy tinh (TGV). Dữ liệu cho thấy hệ số điện môi của thủy tinh nằm trong khoảng 3,5 đến 10, hệ số giãn nở nhiệt (CTE) có thể điều chỉnh từ 2,7 đến 12,4 ppm, và độ phẳng bề mặt có thể đạt dưới 4 nm.

Hướng nâng cấp của PCB là M8, M9, thậm chí là M10.

Số càng lớn, tổn thất tín hiệu càng thấp, tốc độ càng nhanh và độ ổn định càng cao. Lõi PCB cấp M8/M9 bao gồm hằng số điện môi Dk thấp hơn, tổn thất điện môi Df thấp hơn, hệ thống sợi thủy tinh mô-đun cao và giãn nở thấp, cùng với đồng foil có bề mặt siêu mỏng.

Điểm khó của M9 nằm ở vật liệu cứng hơn. Nó sử dụng vải thạch anh Q-glass làm vật liệu gia cố. Sợi thủy tinh thạch anh tinh khiết cao có độ cứng Mohs vượt quá 7, cao hơn mức 5 đến 6 của sợi thủy tinh E-glass truyền thống.

Ceramic focuses on heat dissipation and thermal expansion matching.

Dữ liệu cho thấy hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ABF nằm trong khoảng 0,8 đến 1,2 W/mK, trong khi hệ số dẫn nhiệt của tấm gốm có thể đạt tới 200 W/mK. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm nitrua là 170 đến 230 W/mK, silic nitrua là 60 đến 90 W/mK, và silic cacbua nung kết khoảng 100 đến 250 W/mK.

Điều này giải thích tại sao ba loại vật liệu này có thể đồng thời được quan tâm: thủy tinh giải quyết lớp trung gian và bo mạch chủ, M8/M9 giải quyết kết nối tốc độ cao, và gốm giải quyết tản nhiệt cho công suất cao.

Tại sao là “dao mổ”: Laser siêu nhanh giảm thiểu tổn thương nhiệt ở mức thấp nhất

Điểm trọng tâm của laser siêu nhanh không phải là "công suất lớn hơn", mà là "thời gian ngắn hơn".

Huatai Securities định nghĩa: “Laser siêu nhanh thường chỉ các laser có độ dài xung ở mức pico giây (10−12s) đến femto giây (10−15s)”.

Trong khoảng thời gian ngắn như vậy, năng lượng đến nhanh và đi cũng nhanh. Vật liệu chưa kịp khuếch tán nhiệt, quá trình loại bỏ đã hoàn tất. Cơ chế này được gọi là “bóc lạnh”.

This is different from traditional long-pulse lasers.

Laser truyền thống giống như “đốt cháy” vật liệu. Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, dễ gây vỡ cạnh, vi nứt, nóng chảy và than hóa.

Laser siêu nhanh giống như “bóc” vật liệu. Nó tác động trực tiếp lên mức điện tử trên bề mặt vật liệu thông qua các hiệu ứng phi tuyến như hấp thụ đa photon, giảm khuếch tán nhiệt.

Báo cáo mô tả điều này là: “Laser siêu nhanh không phải là sự nâng cấp thông số đơn thuần của laser truyền thống, mà là sự thay đổi căn bản về cơ chế gia công.”

Trong quá trình gia công thực tế, sự khác biệt này dẫn đến ba kết quả: vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn, độ nghiêng thành lỗ có thể điều chỉnh được, và hình dạng gia công linh hoạt hơn.

Các chuyên gia phân tích cho biết, khoan laser có thể gia công các lỗ vi với bất kỳ hình dạng nào, điều mà khoan cơ học khó thực hiện được.

Ba quy trình thể hiện rõ nhất nhu cầu: TGV, M9 vi lỗ, ăn mòn gốm

Đầu tiên là tấm kính TGV.

Các quy trình chính của tấm nền thủy tinh bao gồm sáu bước: cải biến laser TGV, ăn mòn lỗ thông, kiểm tra quang học AOI, mạ lớp hạt giống, điện phân lấp đầy lỗ, và mài.

Trong đó, "laser cải thiện TGV là công đoạn đầu tiên và cũng là công đoạn quan trọng nhất".

Lý do rất đơn giản: thủy tinh thiếu khả năng biến dạng dẻo. Khi năng lượng quá cao hoặc không đồng đều, dễ xảy ra vết nứt vi mô, tập trung ứng suất nhiệt hoặc khuyết tật bên trong. Khi đường kính lỗ dưới 30 micromet, việc kiểm soát vùng ảnh hưởng nhiệt trở nên nghiêm ngặt hơn.

Laser siêu nhanh với xung siêu ngắn có thể tạo ra sự thay đổi phi nhiệt trong thủy tinh, giảm thiểu các vấn đề nứt do ứng suất nhiệt và bong mép.

Bước thứ hai là gia công lỗ vi trên PCB cấp M9.

M9 được thiết kế cho môi trường truyền dẫn siêu tốc trên 1,6 Tbps. Để giảm tổn thất tín hiệu, nó sử dụng sợi thủy tinh thạch anh tinh khiết cao, nhưng điều này cũng làm tăng độ khó trong gia công.

Dữ liệu cho thấy tuổi thọ của mũi khoan cơ học truyền thống sẽ giảm xuống chỉ bằng 1/5 so với vật liệu truyền thống, đồng thời độ chính xác của đường kính lỗ và độ chính xác vị trí cũng bị suy giảm.

Vấn đề với laser CO₂ là vùng ảnh hưởng nhiệt quá lớn, có thể dẫn đến than hóa nhựa và rách sợi thủy tinh. Laser UV xung nan giây có hiệu suất loại bỏ thấp đối với sợi thủy tinh thạch anh cứng cao và chất lượng thành lỗ không lý tưởng.

Giá trị của laser siêu nhanh nằm ở khả năng loại bỏ chính xác sợi thủy tinh cứng, đồng thời không làm than hóa nhựa và không gây chập mạch lớp đồng.

Bước thứ ba là gia công tinh vi trên tấm gốm.

Các vật liệu gốm như nitride nhôm, nitride silic, carbide silic có độ cứng cao và khả năng dẫn nhiệt mạnh. Dữ liệu cho thấy, độ cứng Mohs của các vật liệu này có thể đạt từ 7 đến 9, hệ số dẫn nhiệt có thể vượt quá 200 W/mK.

Việc khoan cơ học sẽ gây ra mòn nhanh đầu khoan, thành lỗ thô ráp và bong mép nghiêm trọng. Năng lượng laser thông thường sẽ bị phân tán nhanh chóng, ngược lại tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt và vi nứt.

Laser siêu nhanh có thể cải thiện vấn đề này, nhưng cũng không phải không có giới hạn.

Các chuyên gia phân tích cũng lưu ý rằng, trong quá trình xử lý thông lượng cao, hiệu ứng tích tụ nhiệt từ xung tần số cao vẫn có thể gây ra nứt vi mô, cần kiểm soát hợp lý tần số lặp lại và mật độ năng lượng. Ngành công nghiệp vẫn đang khám phá các giải pháp kết hợp như laser siêu nhanh năng lượng cao, khoan trước cơ học kết hợp với laser siêu nhanh để gia công lại, laser hỗ trợ từ trường và laser hỗ trợ nhiệt độ thấp.

Các giả định nào tạo nên không gian nghìn tỷ?

Không gian thị trường của thiết bị laser siêu nhanh chủ yếu đến từ bốn ứng dụng tiềm năng: lớp trung gian kính CoPoS, bảng nền kính ABF, vật liệu M9 và bảng nền cho mô-đun quang.

Trong tính toán, giá đơn vị thiết bị được tính ở mức 6 triệu nhân dân tệ. Dưới các mức thâm nhập khác nhau, không gian thị trường tồn tại tương ứng lần lượt là:

• Tỷ lệ thâm nhập 10%: khoảng 10,3 tỷ nhân dân tệ;
• Tỷ lệ thâm nhập 30%: khoảng 31 tỷ nhân dân tệ;
• Tỷ lệ thâm nhập 50%: khoảng 51,6 tỷ nhân dân tệ;
• Tỷ lệ thâm nhập 80%: khoảng 82,6 tỷ nhân dân tệ;
• Tỷ lệ thâm nhập 100%: khoảng 103,3 tỷ nhân dân tệ.

Trong số này, vật liệu M9 đóng góp nhiều nhất. Với giả định tỷ lệ thâm nhập 100%, nhu cầu thiết bị tương ứng với vật liệu M9 là 11.574 chiếc; tấm nền thủy tinh ABF là 3.704 chiếc; lớp trung gian thủy tinh CoPoS là 1.757 chiếc; tấm nền loại module quang là 174 chiếc.

Nhóm tính toán này có hai giả định ngầm định.

Đầu tiên, đóng gói tiên tiến thực sự đang mở rộng từ CoWoS sang CoPoS và CoWoP. TSMC đã lên kế hoạch sản xuất hàng loạt CoPoS và đã xây dựng dây chuyền thử nghiệm CoPoS với bo mạch thủy tinh, dự kiến sẽ bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt quy mô lớn trong 2-3 năm tới.

Thứ hai, các vật liệu như kính nền, M9 PCB, gốm sứ không phải là đường lối phòng thí nghiệm, mà có thể bước vào sản xuất quy mô lớn. Đơn đặt hàng thiết bị cuối cùng đến từ dây chuyền sản xuất hàng loạt, không phải từ các câu chuyện công nghệ.

LPKF định vị cao cấp, các nhà sản xuất trong nước đang theo đuổi giải pháp toàn diện

Bối cảnh thiết bị laser siêu nhanh toàn cầu, hiện các công ty hàng đầu nước ngoài đang chiếm vị thế tiên phong trên thị trường cao cấp, trong khi các nhà sản xuất trong nước đang tăng tốc đuổi kịp.

Ưu thế của LPKF Đức nằm ở quy trình LIDE (laser-induced deep etching). Quy trình này được sử dụng để gia công nền thủy tinh, cho phép xử lý không nứt, tỷ lệ độ sâu trên chiều rộng cao và tổn thương nhiệt thấp. Vitrion S 5000 của nó hướng đến gia công thủy tinh mỏng và lỗ thông TGV, với tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng tối đa lên đến 1:50.

Con đường của các nhà sản xuất trong nước phân tán hơn và gần gũi hơn với việc xác minh quy trình downstream.

Hanzhong CNC, chuyên về thiết bị dành riêng cho PCB, đã ra mắt thiết bị khoan laser siêu nhanh. Máy khoan laser cho thủy tinh của họ có đường kính lỗ thông nhỏ nhất là 10µm, tỷ lệ chiều sâu trên đường kính của các vật liệu phổ biến đạt tới 50:1.

Hanjia Laser sở hữu các công nghệ nguồn sáng picosecond UV, picosecond IR, sản phẩm bao phủ gia công vi mô các vật liệu giòn như thủy tinh, sapphire, gốm, đồng thời tương thích với các quy trình cao cấp như mSAP, TGV.

Diode Laser tập trung vào TGV thủy tinh. Thiết bị laser vi lỗ cấp wafer của họ có thể hỗ trợ nhiều loại thủy tinh khác nhau, đường kính lỗ nhỏ nhất ≤5µm, tỷ lệ đường kính trên độ sâu lên tới 1:100.

Inno Laser có danh mục sản phẩm từ nanosecond đến femtosecond, từ hồng ngoại đến cực tím sâu, doanh số máy phát laser đã vượt quá 22.000 đơn vị, và thiết bị khoan siêu nhanh cho PCB đã đạt được đơn hàng đầu tiên.

Máy khoan laser cho thủy tinh của Liên Vinh Laser có độ chính xác định vị lại ±1µm, có thể xử lý thủy tinh dày 20mm, thiết bị khoan TGV cho thủy tinh hiện đang trong giai đoạn xác minh của khách hàng.

Delong Laser chuyên về thiết bị gia công laser vi chính xác và bộ laser cốt lõi, tự phát triển bộ laser rắn picosecond và femtosecond, bao phủ các ứng dụng như TGV, cắt wafer, gia công gốm và thủy tinh.

Haimoxing lấy “laser + tự động hóa” làm cốt lõi, phát triển các quy trình như laser ăn mòn, laser dẫn dụ, với phạm vi ứng dụng bao gồm pin lithium, năng lượng mặt trời, thiết bị điện tử tiêu dùng và bán dẫn.

Sự cạnh tranh giờ đây không còn chỉ tập trung vào thông số của từng thiết bị. Vật liệu đóng gói tiên tiến có độ phức tạp cao, cửa sổ quy trình hẹp, và các bên downstream cần hơn bao giờ hết một giải pháp toàn diện bao gồm nguồn sáng, điều khiển chuyển động, thông số công nghệ, kiểm tra và tự động hóa. Cơ hội của các nhà sản xuất trong nước cũng đến từ khả năng giao hàng địa phương và phản hồi kỹ thuật.

Rủi ro nằm ở nhịp độ sản xuất hàng loạt, không phải ở bản thân khái niệm

Logic của laser siêu nhanh rất rõ ràng: vật liệu càng cứng, lỗ càng nhỏ, tổn thương nhiệt càng không thể chấp nhận được, thì laser siêu nhanh càng có giá trị.

Tuy nhiên, việc thiết bị tăng khối lượng vẫn có ba loại rủi ro.

Đầu tiên, công nghệ đóng gói tiên tiến phát triển chậm hơn kỳ vọng. Nếu các tuyến đường như CoPoS, CoWoP, bo mạch thủy tinh tiến triển chậm hơn dự kiến, nhu cầu về thiết bị liên quan cũng sẽ bị trì hoãn.

Thứ hai, đầu tư vào năng lực tính toán AI không đạt kỳ vọng. Động lực cốt lõi của việc nâng cấp vật liệu đóng gói đến từ nhu cầu về chip AI cao cấp; nếu chi tiêu vốn của downstream chậm lại, đơn hàng thiết bị sẽ bị ảnh hưởng.

Thứ ba, rủi ro xung đột thương mại quốc tế. Vật liệu và thiết bị đóng gói tiên tiến phụ thuộc vào chuỗi cung ứng toàn cầu, các hạn chế thương mại có thể ảnh hưởng đến tiến độ xác minh, giao hàng và tốc độ mở rộng sản xuất của khách hàng.

Đối với thị trường, laser siêu nhanh không chỉ là câu chuyện về "thiết bị laser" thông thường, mà là một công cụ chính xác cần thiết để bổ sung vào khâu sản xuất sau khi chuyển đổi vật liệu đóng gói tiên tiến.