Organische Substrate stoßen an ihre Grenzen: Warum KI-Chips wieder auf Keramik setzen

In der H100-Ära verbrauchte eine einzelne GPU (SXM-Version) etwa 700 W, und herkömmliches FR-4 war dafür noch ausreichend. Für die Rubin-Ultra-Generation prognostiziert die Branche einen Stromverbrauch von rund 2300 W für eine einzelne GPU; Analysen einer Max-P-Version sagen sogar 2600–2800 W voraus, und langfristig werden sogar 3500 W diskutiert. Unabhängig vom verwendeten Wert beträgt die Wärmeleitfähigkeit herkömmlicher organischer Substrate lediglich 0,3–0,4 W/(m·K) (etwa 0,3 in Z-Richtung), was für eine ausreichende Wärmeableitung zur Kontrolle der Chip-Sperrschichttemperatur nicht ausreicht.

Das größere Problem ist nicht nur die „Hitze“, sondern drei Engpässe:

Erstens, die Verformung: Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) organischer Substrate in der Ebene (X/Y-Achse) beträgt etwa 14–17 ppm/°C, während der CTE in Z-Richtung bis zu 45–70 ppm/°C erreicht. Siliziumchips weisen einen CTE von etwa 3,2–3,5 ppm/°C auf. Unter thermischer Belastung führt diese Diskrepanz zu Lötstellenermüdung und Schichtablösung. Die Kontrolle der Verformung bei ultragroßen Gehäusen hat sich zu einer der dringlichsten Herausforderungen der Branche entwickelt.

Zweitens, Signalintegrität – 1,6T/3,2T und CPO treiben die dielektrischen Verluste an ihre Grenzen. Aktuell gehören keramikgefüllte, PTFE-kupferkaschierte Laminate (wie z. B. Rogers RO1200™ mit einem Df-Wert von nur 0,0017) zu den gängigen Lösungen für 1,6T/CPO-Hochgeschwindigkeitssubstrate. In optischen Modulen dient Aluminiumnitrid eher als Gehäuse oder Gehäusebasis denn als Leiterplattensubstrat für die Hochgeschwindigkeitssignalübertragung. Keramikkomponenten für optische Module aus AluminiumnitridSie bieten sowohl Wärmeableitung als auch Isolierung und ergänzen damit Hochgeschwindigkeits-Kupferlaminatlösungen. In der TEC-Wärmeregelung innerhalb optischer Module, Aluminiumnitrid-TEC-Keramiksubstrate bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolation für die Substratunterstützung. Allgemeiner gesagt, keramische elektronische Substrate Sie erstrecken sich von Leistungselektronik und HF-Gehäusen hin zu Gehäusen für KI-Computer und werden zu einem entscheidenden Faktor im Trend zur „Entorganisierung“.

Drittens, die Wärmeableitung – egal wie leistungsstark die Flüssigkeitskühlung ist, sie kann den „Flaschenhals“ zwischen Chip und Basis nicht beheben. Der erste Schritt der Wärmeabfuhr vom Chip hängt vom Basismaterial ab, das dem Übergang am nächsten liegt. Hier liegt das Problem. Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate werden neu bewertet: Sie bieten eine Wärmeleitfähigkeit von 170–230 W/(m·K) (im Produktkatalog von MARUWA werden drei Sorten aufgeführt: AN-170, AN-200 und AN-230), eine ausgezeichnete Isolierung und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 4,5–4,6 ppm/°C. AlN mit hoher Wärmeleitfähigkeit Die Wärmeableitung wird optimiert, der Wärmeausdehnungskoeffizient von AlN reduziert Verformungen, und die Dielektrizitätskonstante von AlN (ca. 8,0–9,2) sowie die geringen dielektrischen Verluste (3–7 × 10⁻⁴) bieten zusammen Vorteile bei hohen Frequenzen. Für fortschrittliche Gehäuse, Hochleistungs-Verpackungsmaterialien aus Aluminiumnitrid sind keine "Upgrade-Option", sondern eine durch die Materialphysik diktierte Notwendigkeit.

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