Substraat: het fundament onder elke chip
Als je een chip openbreekt, zie je niet zomaar een los blokje elektronica: alles zit gebouwd op en aan een drager. Die drager heet een substraat, en zonder dat woord goed te kennen mis je een groot deel van het huidige chipnieuws. Denk aan een substraat als het fundament van een huis: onzichtbaar voor wie er woont, maar bepalend voor hoeveel verdiepingen je erop kunt zetten en hoe stevig het geheel blijft staan.
In de chipwereld wordt het woord op twee manieren gebruikt, en dat zorgt vaak voor verwarring. Ten eerste is er het substraat als basismateriaal van de wafer: de dunne, ronde plak (meestal van silicium) waarop fabrikanten miljarden minuscule transistors bouwen. Ten tweede is er het packaging-substraat: het plaatje dat de kale chip verbindt met de printplaat van je laptop of telefoon, een soort verkeersknooppunt voor elektrische signalen. Beide betekenissen duiken op in recent nieuws over nieuwe chipmaterialen, en dit artikel legt ze allebei uit.
Wat is het precies?
Het verhaal begint bij zuiver silicium. Fabrikanten smelten silicium van extreme reinheid en laten er langzaam een cilindervormig kristal uit groeien, een zogeheten ingot. Dat kristal wordt in flinterdunne plakken gezaagd, gepolijst tot spiegelglad, en zo ontstaat een wafer: het basissubstraat waarop chipfabrieken laag voor laag transistors, geleiderbanen en isolerende lagen aanbrengen. Silicium is populair omdat het overvloedig, goedkoop te zuiveren en elektrisch goed te sturen is.
Na het bakken van de eigenlijke chip volgt de tweede stap: verpakking. De kale chip is te kwetsbaar en te klein om direct op een printplaat te solderen, dus wordt hij gemonteerd op een packaging-substraat. Dat is van oudsher een plaatje van verharde kunststof (hars, vaak versterkt met glasvezel), met daarin microscopisch dunne bedrading die de duizenden aansluitpunten van de chip omleidt naar de grovere aansluitingen van de printplaat.
Beide soorten substraat worden nu opnieuw uitgevonden, omdat traditionele materialen tegen fysieke grenzen aanlopen. Drie eigenschappen zijn daarbij cruciaal. Vlakheid: hoe vlakker het substraat, hoe fijner en dichter je bedrading kunt aanbrengen. Thermische uitzetting: materialen zetten uit bij warmte, en als substraat en chip daarin te veel verschillen, ontstaan scheurtjes en breken verbindingen. Warmtegeleiding: krachtige chips worden heet, en een substraat dat warmte slecht afvoert, beperkt hoeveel vermogen je kwijt kunt. Organische harssubstraten scoren op deze punten steeds minder goed naarmate chips groter en krachtiger worden, vooral bij chips voor kunstmatige intelligentie die uit meerdere kleinere chiplets naast elkaar bestaan.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer is simpel: chips moeten meer rekenkracht leveren, zuiniger zijn, en tegelijk fysiek niet te veel groter worden. Voor AI-chips betekent dit vaak dat meerdere chiplets op één substraat samenkomen, met duizenden verbindingen die perfect moeten uitlijnen. Een substraat dat niet vlak genoeg is of te veel uitzet bij warmte, zet daar een harde grens aan.
Daarnaast is er de energievraag. Datacenters en elektrische auto's vragen om vermogenselektronica die minder energie verspilt als warmte. Nieuwe substraatmaterialen zoals siliciumcarbide en galliumnitride kunnen bij hogere spanningen en temperaturen werken dan silicium, wat rechtstreeks bijdraagt aan efficiëntere laders, omvormers en aandrijfsystemen.
Er speelt ook een geopolitieke component mee: landen willen minder afhankelijk zijn van een handvol Aziatische producenten voor kritieke schakels in de chipketen, wat verklaart waarom substraatfabrieken tegenwoordig met overheidssteun worden gebouwd in de Verenigde Staten en Europa.
Voorbeelden uit de praktijk
Intel en glassubstraten. Intel onderzoekt al sinds ongeveer 2017 het gebruik van glas in plaats van kunsthars als packaging-substraat voor zijn geavanceerde processoren. Glas is stijver en vlakker, waardoor fijnere bedrading mogelijk is en meerdere chiplets nauwkeuriger kunnen worden samengevoegd. Het bedrijf heeft in Chandler, Arizona een pilotlijn voor deze technologie, en noemt de tweede helft van dit decennium als richttijd voor grootschalige toepassing in producten.
Absolics (SKC) in Georgia, VS. Het Zuid-Koreaanse SKC bouwt via dochterbedrijf Absolics een fabriek voor glassubstraten in Covington, Georgia. Het project kreeg steun vanuit de Amerikaanse CHIPS-wet, die de binnenlandse chipketen wil versterken, en werkt samen met apparatuurmakers zoals Applied Materials. Opschaling naar volumeproductie is, zoals bij vrijwel alle glassubstraatprojecten, nog gaande en afhankelijk van verdere technische rijping.
Samsung Electro-Mechanics. Ook Samsung's onderdeel voor elektronische componenten onderzoekt glassubstraten voor toekomstige chippakketten, met een tijdspad dat rond het midden tot einde van dit decennium ligt volgens eigen aankondigingen.
Siliciumcarbide voor elektrische auto's. Bedrijven als Wolfspeed (VS), STMicroelectronics en Infineon investeren fors in siliciumcarbide-substraten (SiC), die efficiëntere stroomschakelingen mogelijk maken in elektrische voertuigen en laadinfrastructuur. Sinds enkele jaren loopt de sector de overstap van kleinere 150 mm-wafers naar grotere 200 mm-wafers, wat de productie goedkoper moet maken.
Imec in Leuven, België. Dit onafhankelijke onderzoeksinstituut werkt samen met chipfabrikanten wereldwijd aan de volgende generatie verpakkings- en substraattechnologie, en fungeert als een belangrijke schakel tussen fundamenteel onderzoek en industriële toepassing in Europa.
Hoe ver is de techniek?
Silicium als waferbasis en kunsthars als packaging-substraat zijn volwassen, wijdverbreide technologie: vrijwel elke chip die je vandaag gebruikt, rust hierop. Glassubstraten zitten daarentegen nog in de onderzoeks- en pilotfase. De belangrijkste obstakels zijn de breekbaarheid van glas tijdens productie, de kosten van nieuwe productielijnen, en het verhogen van het opbrengstpercentage (het aandeel bruikbare, foutloze substraten per productiebatch). Grootschalige, betaalbare toepassing in consumentenproducten wordt algemeen pas later dit decennium verwacht.
Siliciumcarbide- en galliumnitride-substraten zijn al commercieel verkrijgbaar en worden ingezet in elektrische auto's en opladers, maar ook hier is schaalvergroting nog volop bezig: grotere wafers verlagen de kostprijs per component, maar vragen om nieuwe kristalgroei- en polijsttechnieken die minder ver ontwikkeld zijn dan bij silicium.
Wie werken eraan?
Aan de kant van chipverpakking zijn Intel, Samsung Electro-Mechanics, het Zuid-Koreaanse SKC/Absolics en glasfabrikant Corning belangrijke namen. Bij vermogenselektronica op basis van siliciumcarbide en galliumnitride spelen Wolfspeed, STMicroelectronics, Infineon en Bosch een leidende rol. Onderzoeksinstituut imec in België verbindt universitair onderzoek met industriële ontwikkeling. Op landenniveau zijn de Verenigde Staten (via de CHIPS-wet), Zuid-Korea en de Europese Unie (via de Europese Chips-wet) de belangrijkste financiers van nieuwe substraatfabrieken, terwijl Taiwan, met chipreus TSMC, een van de grootste afnemers van geavanceerde substraattechnologie blijft.