Sustrato de núcleo de vidrio vs sustrato orgánico para multichiplet

Los nuevos empaquetados 3D necesitan apilar chips e interconectarlos, y por ello surgen nuevos desafíos, como los sustratos que se deben emplear para actuar como interposer. Aquí comparamos y describimos tanto el sustrato de núcleo de vidrio y el orgánico. Así comprenderás un poco mejor esta tecnología…

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¿Qué es un interposer?

Un interposer es una capa intermedia que sirve como plataforma para interconectar un chip con su sustrato o con otros chips en caso de ser un empaquetado 2.5D o 3D. Su función principal es gestionar las interconexiones eléctricas y térmicas de manera más eficiente, permitiendo empaques más compactos y con mayor densidad de conexión. Esta tecnología es fundamental en arquitecturas heterogéneas, donde diferentes tipos de chips (como CPU, GPU y memorias) deben integrarse en un solo módulo funcional, como sabrás si nos lees frecuentemente.

Interposer de silicio

El interposer de silicio es el más avanzado tecnológicamente y se utiliza principalmente en aplicaciones de alto rendimiento, como sistemas de computación de alto rendimiento (HPC) y dispositivos de inteligencia artificial (IA), así como circuitos para redes 5G y redes de alta velocidad.

La densidad de interconexiones tan alta permite la integración de cientos de miles de vías gracias a la tecnología de TSV (Through-Silicon Via). También es importante destacar que los anchos de línea y espacio típicos son de 1-5 µm, lo que permite conexiones eléctricas extremadamente densas, es decir, mayor cantidad de ellas por unidad de superficie.

Se pueden usar diversos conductores, como el cobre. Además, debido a la baja resistencia y capacitancia parasitaria característica natural del monocristal del silicio,  se puede conseguir mejores prestaciones. Y no solo eso, también aporta una alta velocidad de señal, adecuada para sistemas de alta frecuencia (>10 GHz).

Por otro lado, este tipo de sustrato o interposer tiene una conductividad térmica relativamente alta (~150 W/mK), mejorando la disipación de calor. Así mismo, es compatible con procesos avanzados de fabricación de semiconductores (CMOS), lo que facilita la integración de componentes activos como reguladores de voltaje o multiplexores en el interposer.

Otra de sus características más importantes, además de la baja latencia, la alta frecuencia, y la conductividad térmica, también tiene una gran fiabilidad para sistemas que trabajen bajo condiciones más extremas. No obstante, no todo es positivo, también tiene un mayor coste de fabricación, similar a un chips de silicio convencional, y también es más susceptible a fallos mecánicos, como fracturas, debido a la fragilidad del silicio.

Interposer orgánico

El interposer orgánico utiliza materiales basados en resinas epóxicas reforzadas con fibras, similares a los sustratos utilizados en PCB (placas de circuito impreso) convencionales. Básicamente se componen de:

• Matriz polimérica: es el componente base y actúa como el aglutinante que mantiene la estructura del sustrato. Los polímeros más comunes incluyen resinas epóxicas, poliamidas, o polibenzoxazoles (PBO).
• Materiales de refuerzo: se añaden para mejorar la estabilidad dimensional, la resistencia mecánica y la rigidez del sustrato. Generalmente se usa fibra de vidrio u otro tipo de mallas o tejidos.
• Rellenos inorgánicos: se incorporan para ajustar propiedades específicas del sustrato. Suelen ser óxidos metálicos, como el sílice o el óxido de aluminio, o la fibra de carbono.
• Capas de conductoras: aunque no forman parte del sustrato en sí, los sustratos orgánicos suelen incorporar circuitos de cobre (Cu) en su superficie o en capas internas, mediante procesos de laminado, grabado y deposición química. Estas capas conducen las señales electrónicas, al igual que lo hacían las interconexiones de cubre del interposer de silicio, solo que en este caso se cambia el silicio por este composite.

Todo esto hace que estos sustratos para interposer tengan una serie de características especiales, como una densidad de interconexiones inferior a la del silicio, con anchos de línea y espacios superiores a los 10 micrones. También presenta mayor resistencia y capacitancia parasitaria en comparación con el silicio, lo que generará una cierta latencia. Esto limita la frecuencia de señal soportada, destinándose a aplicaciones por debajo de los 5 Ghz.

Por otro lado, su conductividad térmica baja (~0.2-0.4 W/mK), lo que puede limitar la capacidad de disipar calor. En cuanto a la fabricación, suele ser barata, debido a los procesos de fabricación simples que se emplean, similares a cómo fabricar un PCB convencional. Además, es menos frágil que el silicio o el vidrio, por lo que se puede manipular con menos riesgo.

Por eso también se tiene una mayor flexibilidad mecánica, lo que aumenta la robustez ante posibles roturas. Teniendo en cuenta todo esto, se suele usar en dispositivos que necesitan de un buen rendimiento, complejos, pero con costes inferiores al interposer de silicio. Por ejemplo, se pueden encontrar en multitud de chips para dispositivos inteligentes o móviles, sensores, IoT, y otras aplicaciones de menor coste.

Interposer de núcleo de vidrio

El interposer de núcleo de vidrio es una tecnología emergente que combina características de los interposers de silicio y orgánicos. Está fabricado con vidrio de baja expansión térmica, lo que ofrece una estabilidad dimensional excelente. Como sabes, hay una carrera para el desarrollo y aplicación de este tipo de interposer por sus ventajas frente al os anteriores. De hecho, no hace mucho AMD patentó un nuevo vidrio especial para esto mismo…

En este caso tenemos una densidad de interconexiones similar al interposer de silicio, con líneas de interconexión finas y uniformes (~2-10 µm). También es compatible con vías de alta densidad gracias al uso de microvias perforadas por láser.

Otra de sus grandes características es su baja pérdida de señal a frecuencias altas, gracias a la baja constante dieléctrica del vidrio, que es bastante alta. Por esto también es un excelente aislante eléctrico, y su conductividad térmica no es tan mala como en el caso del sustrato orgánico, aunque no tan buena como la del silicio. Hablamos aquí de una conductividad térmica moderada (~1-2 W/mK).

También ofrece un coste de fabricación más bajo que el silicio debido a la abundancia de sus materiales, y por el uso de procesos de fabricación bastante más simples. Y eso no es todo, también aporta más estabilidad térmica y mecánica superior, lo que reduce deformaciones en temperaturas extremas.

A pesar de su buena relación coste-rendimiento, sus superiores propeidades mecánicas que reducen el riesgo de delaminación o fractura, y de su superioridad en cuanto a rendimiento y a propiedades térmicas respecto a los orgánicos, no todo son buenas noticias. Uno de los mayores problemas es que aún es más complejo de fabricar a gran escala.

No obstante, los nuevos avances están mejorando cada vez más este tipo de sustrato por su potencial para aplicaciones de empaquetados 2.5D y 3D, tanto para electrónica de alto rendimiento y precio moderado, pasando también por aplicaciones ópticas y fotónicas.

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