Les substrats en verre d’Intel sont essentiels au développement futur des circuits intégrés

Bien que la lithographie des semi-conducteurs retienne la plus grande attention dans la fabrication de puces, d’autres processus sont tout aussi importants dans la production de circuits intégrés (CI) fonctionnels. Exemple concret : l’emballage. Un boîtier IC assure la transition électrique, thermique et mécanique de la puce ou de la puce semi-conductrice à la carte de circuit imprimé, souvent appelée carte mère. Un élément clé du boîtier IC est le substrat, qui est essentiellement une carte de circuit imprimé miniature avec des traces de cuivre qui se connecte aux plages d’entrée/sortie (E/S), d’alimentation et de terre de la puce et connecte électriquement ces plages au circuit imprimé . Le substrat fournit un siège mécanique solide à la puce et est également adapté thermiquement au coefficient de dilatation thermique de la puce semi-conductrice. Malgré l’importance des substrats, ils sont généralement traités comme des acteurs de fond dans le théâtre des semi-conducteurs.

Il était donc plutôt curieux et inhabituel qu’Intel fasse une annonce majeure sur le substrat en préparation de l’événement Innovation de cette semaine, qui se tiendra à San Jose, en Californie. Le communiqué, daté du 18 septembre, précise :

« Intel a annoncé aujourd’hui l’un des premiers substrats en verre du secteur pour les emballages avancés de nouvelle génération, attendus plus tard cette décennie. Cette réalisation révolutionnaire permettra la mise à l’échelle continue des transistors dans un boîtier et fera progresser la loi de Moore pour fournir des applications centrées sur les données. »

Le communiqué cite également Babak Sabi, vice-président senior d’Intel et directeur général du développement de l’assemblage et des tests, qui a déclaré : « Après une décennie de recherche, Intel a mis au point des substrats en verre de pointe pour les emballages avancés. Nous sommes impatients de fournir ces technologies de pointe qui profiteront à nos principaux acteurs et clients fondeurs pour les décennies à venir.

La recherche sur l’utilisation de substrats de verre pour produire des puces n’est pas nouvelle. Comme l’indique la déclaration d’Intel, l’entreprise travaille sur cette technologie depuis au moins une décennie, tout comme d’autres organisations telles que le 3D Systems Packaging Research Center situé à Georgia Tech, fondé en 1994, il y a près de 30 ans. L’année dernière, Georgia Tech PRC a lancé un conseil consultatif de l’industrie avec Ravi Mahajan, membre d’Intel, comme l’un des premiers membres du conseil. Intel a déjà dépensé plus d’un milliard de dollars pour développer une usine de fabrication de substrats en verre sur son site de Chandler, en Arizona.

Donc, si les substrats de circuits intégrés en verre ne sont pas nouveaux, pourquoi Intel annoncerait-il ce développement particulier maintenant, après dix ans de développement de l’entreprise et plusieurs années avant que ces substrats ne trouvent leur place dans les produits ? D’un point de vue technique, c’est parce que les substrats céramiques et organiques existants atteignent la fin de leur capacité à assurer les transitions électriques, thermiques et mécaniques pour les semi-conducteurs les plus avancés d’aujourd’hui, ce qui est d’autant plus vrai que l’industrie adopte les chipsets comme moyen de plus en plus courant de mettez plusieurs transistors dans un paquet.

Sur le plan électrique, Intel espère multiplier par 10 le nombre de connexions qu’il peut établir sur une puce semi-conductrice en utilisant des substrats en verre par rapport aux substrats en céramique ou organiques. Cette augmentation du nombre de connexions à une puce semi-conductrice se traduit par davantage de connexions d’E/S sur la carte de circuit imprimé sous-jacente, davantage de connexions entre et entre les chipsets et davantage de chiplets dans un boîtier en raison de l’augmentation de la densité d’interconnexion. Les substrats en verre acceptent également facilement les composants électro-optiques tels que les émetteurs-récepteurs à fibre optique, qui promettent des vitesses d’E/S beaucoup plus élevées pour les communications IC à IC sur de plus longues distances que les câbles en cuivre. Intel travaille sur l’optique intégrée depuis des années, et il s’agit d’une technologie d’E/S qui se situe clairement dans l’horizon de développement de l’entreprise. (Voir « Intel construit un réseau laser multiplexé par répartition en longueur d’onde à huit canaux sur une puce de silicium. »)

Thermiquement et mécaniquement, les substrats en verre tolèrent mieux la chaleur que les matériaux de substrat couramment utilisés aujourd’hui. Puisque le verre est essentiellement du dioxyde de silicium, il a un coefficient de dilatation thermique similaire à celui des puces de silicium fixées au substrat, il y a donc une meilleure correspondance thermique entre le substrat et la puce semi-conductrice, ce qui signifie que le substrat et la puce semi-conductrice auront tendance à rester coplanaire et donc connecté de manière fiable lorsque le circuit intégré fonctionne et génère de la chaleur. Cette fonctionnalité devient de plus en plus importante pour la plus grande puce semi-conductrice produite aujourd’hui et pour les futurs circuits intégrés qui regrouperont encore plus de chipsets sur le même substrat.

L’utilisation de substrats en verre dans la production de puces est encore loin d’être une réalité. Comme l’indique le communiqué de presse d’Intel :

« D’ici la fin de la décennie, l’industrie des semi-conducteurs atteindra probablement ses limites en matière de mise à l’échelle des transistors sur un boîtier en silicium utilisant des matériaux organiques, qui consomment plus d’énergie et présentent des limitations telles que le retrait et la déformation. L’évolutivité est essentielle au progrès et à l’évolution de l’industrie des semi-conducteurs, et les substrats en verre représentent une prochaine étape viable et essentielle pour la prochaine génération de semi-conducteurs.

Alors pourquoi annoncer aujourd’hui une technologie qui est encore loin d’être mise en production ? Tout cela fait partie intégrante de la reconstruction de la marque malmenée d’Intel en tant que plus grand fabricant de puces au monde. Lorsque Pat Gelsinger a pris la direction d’Intel, il a constaté que les fondations de la maison construite par Noyce, Moore et Grove avaient besoin d’être réparées. Intel n’était plus considéré comme le leader qu’il était autrefois. D’autres sociétés, dont TSMC et Samsung, avaient pris la tête du secteur de la lithographie. Cette annonce sur le pack est une brique des fondations d’Intel.

Intel mène un programme de reconstruction à multiples facettes qui comprend la construction de nouvelles usines dans le monde entier, l’accélération du développement de la technologie des semi-conducteurs dans un cycle accéléré et la progression vers l’avant-garde des nouveaux systèmes de lithographie ASML EXE:5000 EUV à haute NA, l’introduction des technologies RibbonFET (gate-all-around ou GAA FET) et PowerVia backside power delivery network (PDN) pour augmenter encore les performances des puces, le développement de technologies avancées de packaging de circuits intégrés, notamment l’utilisation de chipsets et de substrats en verre et l’ajout d’optiques intégrées pour les E/S à grande vitesse. Toutes ces technologies sont des outils essentiels pour un futur leader de la fabrication de puces.