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Mehr als Moore

Mit jedem neuen Modell werden elektronische Geräte komplexer, leistungsstärker und energieeffizienter. Traditionelle Chiparchitekturen stoßen derzeit an technologische Grenzen. Neuartige Konzepte wie 3D-Chippackages, bei denen auch Glas eingesetzt wird, bieten Lösungen.

Mit jedem neuen Modell werden elektronische Geräte komplexer, leistungsstärker und energieeffizienter. Traditionelle Chiparchitekturen stoßen derzeit an technologische Grenzen. Neuartige Konzepte wie 3D-Chippackages, bei denen auch Glas eingesetzt wird, bieten Lösungen.

Nach über 50 Jahren verliert das Moore’sche Computerchip- Gesetz seine Gültigkeit, denn die Beobachtung, dass sich die Zahl der Transistoren pro Flächeneinheit etwa alle 24 Monate verdoppelt, stößt an die Grenzen der Physik. Längst geht es in der Chipproduktion beim Wettlauf um immer kleinere Strukturen um Nanotechnologie. TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) kann in seinem Prozess bereits auf sieben Nanometer (= 0,000007 Millimeter) skalieren. Doch bei fünf Nanometern, so Experten, wird es nicht nur wirtschaftlich, sondern auch technisch kritisch, denn dann würden physikalische Tunneleffekte die Schaltwirkung von Halbleitern unterlaufen.

Während sich die Skalierung von Transistoren seit Ende der 1960er Jahre in rasantem Tempo um einen Faktor 1000 verändert hat, wurde in der Systemskalierung nur ein Faktor 5 erzielt. Auf Systemebene also, wo „intelligente“ aktive sowie passive elektronische Bauelemente „verpackt“ werden, existiert ein riesiges Potential für Performance-Verbesserungen. Genau hiermit befasst sich das Georgia Tech Packaging Research Center in Atlanta (Georgia/ USA). Ein Konsortium, zusammengesetzt aus Partnern der Industrie und Forschung sowie Materialherstellern wie SCHOTT, hat als Mission, die bislang getrennten Industrie-Infrastrukturen für Halbleiter und Leiterplatten zusammenzubringen. Ziel des gemeinsamen Entwicklungsprojekts ist, eine Technologieplattform zu schaffen zur heterogenen Integration elektronischer Bauteile und damit für effizientere Systemarchitekturen.

Herausforderung ist, die unterschiedlichen Komponenten aus weit auseinanderliegenden „Welten“ optimal zu vernetzen. Denn die physikalischen Größen in Computern reichen von wenigen Nanometern (= millionstel Millimetern) der Mikroprozessor-Strukturen bis hin zu sichtbaren 300 Mikrometer- Strukturen auf der Leiterplatte. Damit diese Welten optimal kommunizieren, braucht es spezielle Vermittler, sogenannte „Interposer“. Sie fungieren als komplex strukturierte, metallisierte Hochleistungs-Leiterplatten und verbinden leistungsstarke Komponenten wie (Grafik-)Prozessoren, Speicher mit extrem hohen Bandbreiten (High Bandwidth Memory/HBM) und andere Devices möglichst kompakt oder mit der Hauptplatine: entweder „2D“ nebeneinander, „2,5 D“ über und unter dem Interposer sowie „3D“-gestapelt. Als Zwischenschaltungen enthält der Interposer Durchkontaktierungen und Umverdrahtungen – das funktioniert über kleinste Leiterbahnen. Das Ergebnis: kurze Leitungswege, optimierter Datentransfer sowie gleichzeitige Energieersparnis pro Fläche.

Interposer im Detail
Mit MEMpax® Dünngläsern lassen sich großformatige Wafer herstellen.

Als Material für Interposer kommen Silizium oder Glas infrage. „Das weitverbreitete Substratmaterial Silizium ist jedoch relativ teuer und weist suboptimale Eigenschaften wie parasitäre Kapazitäten und Impedanzen auf. Das bedeutet, es hält beim Stromdurchgang entstehende elektromagnetische Felder relativ stark fest. Glas hingegen bietet ein perfektes Spezifikationsprofil, gerade im Hochfrequenzbereich. Das sorgt für das gewünschte Plus an hoher Performancedichte und mehr Rechenpower auf weniger Bauraum“, erklärt Matthias Jotz, Global Product Manager Semicon and Sensors bei SCHOTT. Glas ist anorganisch, nicht leitfähig und muss nicht passiviert werden. Weitere Pluspunkte sind eine hervorragende Oberfläche, deren Rauheit sich in der der Kupfermetallisierung widerspiegelt. Dadurch entstehen bei hohen Datenfrequenzen/- raten weniger Verluste und eine höhere Energieeffizienz als bei andern Materialien. Beim Packaging, wo asymmetrisch Wärme in den Interposer gelangt, sorgt Glas für mechanische und thermische Stabilität. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) kann variabel eingestellt werden, so dass Dehnungsanforderungen unterschiedlicher Materialien bedient und die Zuverlässigkeit des gesamten Bauteils optimiert werden können.

Im Entwicklungsprojekt von Georgia Tech bringt SCHOTT sein Material-, Analytik- und Prozess-Know-how ein. Konkret geht es um die Dünngläser MEMpax®, AF 32® und D 263® in Dicken von 0,03 bis 0,5 Millimeter. Das Dünnglas wird im Down-Draw-Verfahren hergestellt. Dabei entstehen ohne Nachbehandlung feuerpolierte Glasoberflächen mit einer Rauigkeit von unter einem Nanometer. Der Vorteil im Vergleich zur Herstellung von Siliziumwafern: Dünnglas lässt sich in großen Formaten, mit hoher Oberflächengüte und kostengünstig in Serie herstellen. Experten von SCHOTT arbeiten zudem an einem hocheffizienten Strukturierungsprozess für die Durchführungen in den Interposern, sogenannte Through-glass-vias (TGVs). Dieser, so Experte Jotz, sei „skalierbar und erfüllt künftige Kosten-Roadmaps“. Als potentielle Anwendungen für die gläsernen Interposer von SCHOTT gelten zunächst High-Performance-Anwendungen wie Hochleistungscomputer. Dennoch, so Jotz: „Die Technologie ist als Plattform zu verstehen – man kann sie überall verwenden.“ Für Kunden aus der Halbleiterindustrie hat SCHOTT als Geogia-Tech-Partner Prototypen für verschiedene Anwendungen geliefert und „… mit seiner Dünnglas und Strukturierungs-Kompetenz für Fortschritte gesorgt.“ Die Ära „More than Moore“ hat also längst begonnen – und zeigt neue Wege für die Computertechnik von morgen.

25. Februar 2019

Kontakt

Matthias Jotz
Advanced Optics
SCHOTT AG

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