この記事で分かること
- ガラスインターポーザーとは：ガラス基板を用いた中間基板で、低誘電率で高速伝送に優れ、熱膨張係数がシリコンに近いため信頼性が高く、大面積で安価に製造が可能です。
- パネルサイズでの量産が可能な理由：高い剛性により大面積でも反りにくい、また、熱膨張係数がチップに近いため、大型化しても熱応力による歪みが少なくためです。
- シリコンと比較し、微細化が難しい理由：シリコンチップ製造の「前工程」ほどの超精密な露光・エッチング技術を使えないためです。主にパネル製造技術を流用するため、配線幅の限界がシリコンより大きくなります。
ガラスインターポーザー
チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。
複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。
前回はシリコンインターポーザーに関する記事でしたが、今回は2.5次元実装に使用されるガラスインターポーザーに関する記事となります。
インターポーザーとは何か
インターポーザとは、複数の半導体チップ（チップレット）を接続するための中間基板です。これを用いることで、チップ間の配線距離を短縮し、高密度な接続と高速データ伝送を可能にします。
インターポーザーには主に、シリコンインターポーザー、。ガラスインターポーザー、有機インターポーザーなどがあります。
| 種類 | 主な材料 | 特徴 | 主な用途 |
| シリコンインターポーザ | シリコン（Si） | 最も高密度な配線が可能で、放熱性、電気特性に優れる。（製造コスト高） | AIアクセラレータ、HPC、高性能GPU |
| ガラスインターポーザ | ガラス | 大面積化が容易で、低コスト化・高周波特性に優れる。 | 次世代パッケージング技術 |
| 有機インターポーザ | 有機樹脂（RDLインターポーザ） | 製造コストが比較的低い。柔軟性や大面積製造が可能。 | スマートフォン、モバイルデバイス |
ガラスインターポーザーとは何か
ガラスインターポーザとは、ガラス基板を中間基板として使用し、複数の半導体チップ（チップレット）を接続するための技術です。
ガラス基板にTGV (Through-Glass Via：ガラス貫通電極)と呼ばれる微細な貫通穴を形成し、電気的な接続経路とすることで、高性能なパッケージを実現します。
特徴とシリコン代替の理由
ガラスインターポーザは、シリコンインターポーザの高性能と、有機インターポーザのコストメリットを両立させる次世代の有力技術として注目されています。
| 特徴 | シリコンインターポーザと比較 | メリット |
| 電気特性 (高速性) | 優れる | ガラスは低誘電率で絶縁性が高いため、信号の伝送損失が少なく、特に高周波信号（5G/6Gなど）の伝送に適しています。 |
| 熱的信頼性 | 近い | 熱膨張係数（CTE）をシリコンチップと近づけられるため、温度変化による歪みが少なく、高い接続信頼性を保てます。 |
| 製造とコスト | 安価 | シリコンウェーハより大きなパネルサイズで製造できるため、製造コストを抑えやすく、大型パッケージに適しています。 |
| 微細加工性 | 劣る | シリコンほどの超微細配線は難しいものの、有機基板より高い平坦性を持つため、精密な配線形成が可能です。 |
これらの特徴から、ガラスインターポーザは、コストを抑えつつ高い電気特性が求められる高性能コンピューティング（HPC）や通信機器の分野で、実用化が加速しています。
ガラスインターポーザとは、ガラス基板を用いた中間基板です。低誘電率で高速伝送に優れ、熱膨張係数がシリコンに近いため信頼性が高く、大面積で安価に製造できる次世代の2.5D実装技術です。
なぜ、パネルサイズでの量産が可能なのか
ガラスインターポーザでパネルサイズでの量産が可能なのは、主に以下の2つの理由からです。
1. 基材の特性とパネル製造プロセスの利用
- 剛性と平坦性: ガラスはシリコンよりも基板としての剛性が高いため、製造プロセス中に反りや変形が起こりにくいという特性があります。これにより、シリコンウェーハ（最大12インチ/300mm）よりもはるかに大きなパネルサイズ（例：510mm × 515mmなど）で、基板の形状を安定させながら工程を進めることができます。
- 製造プロセスの流用: ディスプレイやプリント基板（PCB）で確立されたパネルレベルの製造プロセスを適用できるため、一度に多くの製品（インターポーザ）を効率よく生産でき、コスト削減に繋がります。
2. 熱膨張係数（CTE）のミスマッチの低減
このCTEの近さにより、大面積化しても、チップとインターポーザの間で発生する熱応力による歪みが抑えられます。これにより、大型基板でも高い歩留まりを維持できるため、パネルサイズでの量産に適しています。
ガラス基板は、有機樹脂基板に比べて熱膨張係数がシリコン（チップ）に非常に近い特別な材料が選ばれます。
ガラスインターポーザがパネルサイズで量産可能なのは、高い剛性により大面積でも反りにくいためです。また、熱膨張係数がチップに近いため、大型化しても熱応力による歪みが少なく、高い歩留まりで製造できるからです。
微細加工性の劣る理由は何か
ガラスインターポーザの微細加工性がシリコンインターポーザに劣る主な理由は、加工プロセスの根本的な違いと、配線層を形成する技術の限界にあります。
これは、半導体チップの製造技術（前工程）が、他のどの基板加工技術よりも高い精度を持っているためです。
1. プロセスの違いによる限界
- シリコンインターポーザ（Si Interposer）:
- チップ製造（前工程）と同じ超精密なフォトリソグラフィ（露光）とドライエッチング技術を利用します。
- この技術は、ナノメートル級のトランジスタ回路を作るために開発されており、配線幅・間隔を１μm（マイクロメートル）未満にすることが可能です。
- ガラスインターポーザ（Glass Interposer）:
- パネルレベルの製造プロセス（ディスプレイやパッケージ製造で使われる技術）を利用することが多く、微細加工技術の精度は前工程ほど高くありません。
- 現在の技術では、配線幅・間隔は2μm程度が限界とされており、シリコンインターポーザの微細度に一歩劣ります。
2. TGV（貫通電極）加工の難しさ
- ガラスにTGV（ガラス貫通電極）を形成する際、レーザー加工やエッチングなどの手法が用いられますが、微細な穴を正確に、かつ大量に開ける加工精度は、シリコンのTSV（貫通電極）形成技術よりも一般的に難易度が高いとされています。
したがって、ガラスインターポーザは、低コスト化と大面積化を実現するために、シリコンほど微細な加工は求めないというバランスの元で開発が進められています。
ガラスインターポーザの微細加工性が劣るのは、シリコンチップ製造の「前工程」ほどの超精密な露光・エッチング技術を使えないためです。主にパネル製造技術を流用するため、配線幅の限界がシリコンより大きいからです。
ガラスインターポーザーはどれくらい使用されているのか
ガラスインターポーザは、現在、広く一般的に使用されている段階にはありません。これは、次世代の半導体パッケージ技術として開発・実用化の最終段階にあるためです。
現状と今後の見通し
- 現在の状況: 大手メーカーや研究機関による試作や技術確立が進められている段階であり、ハイエンドGPUなどで既に量産されているシリコンインターポーザと比べると、市場投入はこれからです。
- 採用計画: IntelやSamsungといった主要な半導体企業は、ガラス基板技術を2020年代後半（2028年〜2030年頃）に次世代AIアクセラレータやHPC（高性能コンピューティング）向けのハイエンドチップで量産適用する計画を公表しています。
今後、既存の有機基板やシリコンインターポーザの限界を突破する技術として、市場への急速な浸透が予測されています。
ガラスインターポーザは現在、広く一般には使用されていません。これは次世代技術であり、IntelやSamsungなどが2020年代後半の量産を目指し、AIやHPC向けハイエンドチップでの実用化開発を推進している段階です。
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