AI向け半導体パッケージングを革新するガラス基板の優位性と量産化への課題

この記事のポイント

• ガラス基板は熱的・電気的・機械的特性に優れ、次世代AIやHPC向けの高密度パッケージングを可能にします。
• 従来の有機基板に比べ熱膨張係数（CTE）の調整や高い平坦性に優れ、反りの抑制や微細配線形成に適しています。
• パネルレベルパッケージングの一時キャリアから、恒久的なコア基板（ガラスコア基板）への応用開発が進んでいます。
• 材料の脆さ、貫通電極（TGV）加工、めっき密着性などの製造課題と標準化の確立が普及の鍵を握ります。
• Lam Researchは独自のめっき装置などを通じて、ガラスパネル対応の量産ソリューションを支援しています。

先端パッケージングで注目されるガラス基板の優位性

半導体パッケージングにおいて、ガラスは長年にわたり先端パッケージング製造の一時的な円形キャリアとして使用されてきました。現在、業界では大型の矩形キャリア（パネル）や、ガラスコアパッケージ基板のような恒久的な用途の開発が進められており、より大型で高密度なAIおよびハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）向けパッケージへの対応が図られています。

ガラス基板はシリコン原子で構成されていますが、従来の有機基板やシリコン基板とは異なる特長を持っています。

• 熱膨張係数（CTE）の調整：ガラスのCTEはシリコンに極めて近い値へと調整可能であり、有機基板のCTEレベルよりも大幅に低く抑えられます。これにより熱サイクル時の反りを防ぎ、マルチダイや大型ダイのパッケージングにおいて高い信頼性と堅牢性を実現します。
• 優れた表面平坦性：非常に平坦な表面により、ガラス上に2ミクロン（μm）までの微細なライン/スペース（L/S）のパターニングが可能となり、次世代デバイスに必要な複雑な相互接続を支えます。
• 寸法安定性：固有の寸法安定性により複数のチップを集積する用途に適しており、複雑で高密度なアセンブリに求められる機械的安定性を提供します。
• 優れた電気特性：配線に対する高い絶縁性により信号整合性（シグナルインテグリティ）を維持します。また、低い誘電損失と高い抵抗率により、高速かつ低損失な信号伝送が可能となり、高周波（RF）、HPC、2.5D/3D集積に最適な選択肢となります。

先端パッケージングにおけるガラス基板の用途

ガラス基板は、厳格な寸法制御、高い信号整合性、高密度な相互接続が求められる領域で力を発揮します。

AIアクセラレータでは、HBM（広帯域メモリ）とコアロジックダイを接続する微細配線有機インターポーザを製造するための一時キャリアとして使用されています。さらに将来のAIアクセラレータ世代に向けて、より多くのチップを収容する大型パッケージを実現するコア基板としての開発も進められています。

また、28 GHz以上で動作する5G RFモジュールでは、ガラスの低誘電損失が信号減衰やクロストークを低減し、クリーンで信頼性の高い伝送を可能にします。光集積回路（Photonic IC）においても、光導波路の集積を可能にするガラスの光学的透明性が活かされ、シリコンフォトニクスプラットフォームを補完しています。

ガラス基板の製造における課題

ガラスの安定性は多くの利点をもたらす一方で、製造工程においては特有の課題を生じさせます。

ガラスは脆いため、ハンドリング、個片化（シンギュレーション）、欠陥管理において高度な対応が求められます。機械加工やレーザー誘起深掘りエッチングによるガラス内部への配線用微細構造の形成では、隣接部分のチッピングやクラックを防ぐために細心の注意が必要です。

また、ガラス上への金属膜の成膜も難易度が高く、ガラスに密着して配線構造を銅で充填できる高度なめっきプロセスが要求されます。無電解シード層の形成前に密着促進剤を使用することや、ガラス貫通電極（TGV：Through Glass Via）において基板両面から貫通チャンネルを充填する特殊な電解めっきが必要となります。さらに、500 mmを超える大型パネルの取り扱いには、破損を防ぐ真空保持やエッジグリップツールが必要であり、熱応力による破損を回避するための慎重な温度制御も欠かせません。

パッケージング量産化に向けた取り組みと展望

ガラスキャリアはすでに量産実績があるものの、恒久的なガラスインターポーザやガラスコアIC基板は、まだ開発および採用の初期段階にあります。ガラス基板が業界全体で広く普及するためには、製造容易性と標準化の課題を解決する必要があります。サプライヤーごとにパネルサイズ、ビア仕様、材料スタックが異なっている現状が、統合やスケールアップを複雑にしています。

Lam Researchは、ガラスパネルパッケージングに伴う製造課題に対処するため、研究、プロセス知見、パネル処理ハードウェアへの投資を行っています。同社の「Kallisto™」パネル電解めっきシステムは、多様な厚みや寸法の基板に対応し、高アスペクト比のTGV充填や微細ピッチの再配線層（RDL）形成を処理できます。また、「Phoenix」パネル処理システムは薄型ガラス基板に対応し、生産性とスループットを向上させます。

同社は基板メーカー、OSAT（半導体後工程受託製造企業）、装置メーカー、材料サプライヤーと継続的に連携し、高度な電解めっき用途に向けたソリューションの最適化を進めています。ガラス基板の普及には技術、製造、エコシステム面でのハードルが存在しますが、その高い性能と集積度向上への期待から、半導体パッケージングの進化を牽引する重要な材料として注目されています。

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