在“摩爾定律”（半導(dǎo)體芯片的晶體管密度每24個(gè)月翻一番）逐漸失效的時(shí)代，當(dāng)談?wù)撔酒O(shè)計(jì)的下一步發(fā)展時(shí)，人們關(guān)注的焦點(diǎn)包括填充更多內(nèi)核、提高時(shí)鐘速度、縮小晶體管和3D堆疊等，很少考慮承載和連接這些組件的封裝基板。玻璃基板的應(yīng)用將為芯片技術(shù)帶來(lái)革命性的突破，并可能成為未來(lái)芯片發(fā)展的關(guān)鍵方向之一。

一、玻璃基板是什么？

隨著高性能芯片的發(fā)展，傳統(tǒng)有機(jī)材料基板在高性能芯片的封裝應(yīng)用中呈現(xiàn)出一定的局限性。芯片基板用于固定晶圓切好的晶片，是封裝環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部分。隨著基板上固定的芯片數(shù)量增加，整個(gè)芯片集成的晶體管總數(shù)也相應(yīng)增多。有機(jī)材料基板加工難度小，生產(chǎn)成本較低，在芯片封裝領(lǐng)域已被應(yīng)用多年。但隨著對(duì)芯片計(jì)算需求的增加，信號(hào)傳輸速度、功率傳輸效率、以及封裝基板的穩(wěn)定性變得尤為關(guān)鍵，有機(jī)材料基板面臨容量的極限。

 

▲Intel 先進(jìn)封裝技術(shù)路線圖

 

玻璃基板是一種表面極其平整的薄玻璃片,玻璃基板主要用來(lái)取代原先的硅/有機(jī)物基板和中介層，可應(yīng)用于面板、IC等泛半導(dǎo)體領(lǐng)域。在目前的2.5D封裝中，以較為主流的臺(tái)積電的CoWoS封裝為例，是先將半導(dǎo)體芯片(CPU、GPU、存儲(chǔ)器等)通過(guò)Chip on Wafer(CoW)的封裝制程一起連接至中介層(Interposer)上，再通過(guò)Wafer on Substrate(WoS)的封裝制程將硅中介層連接至底層基板上;其中，中介層(interposer)一般選用硅(COWOS-S)、 有機(jī)物(COWOS-R)或者是硅和有機(jī)物的結(jié)合(COWOS-L)。

玻璃材質(zhì)的引入可以取代原先的硅中介層和有機(jī)基板。玻璃基板直接利用玻璃中介層(Glass Interposer)實(shí)現(xiàn)芯片之間、芯片與外部的互聯(lián)，利用玻璃材質(zhì)成本低、電學(xué)性能好、翹曲低等優(yōu)點(diǎn)來(lái)克服有機(jī)物材質(zhì)和硅材質(zhì)的缺陷，來(lái)實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更高效的連接以及降低生產(chǎn)成本，有望為2.5D/3D封裝帶來(lái)全新的范式改變。

二、玻璃基板的性能優(yōu)勢(shì)

 

▲有機(jī)材料基板與玻璃基板性能對(duì)比

 

玻璃基板與主流的有機(jī)基板相比，玻璃具有獨(dú)特的性能，在平坦度、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性當(dāng)面都有更好的表現(xiàn)：

 

▲玻璃基板結(jié)構(gòu)圖

 

1、可顯著改善電氣和機(jī)械性能;

2、可調(diào)模量和CTE(熱膨脹系數(shù))更接近硅，支持大外形尺寸;

3、尺寸穩(wěn)定性改進(jìn)的特征縮放;

4、可以提升約10倍通孔密度，改進(jìn)路由和信號(hào);

5、低損耗，高速信號(hào)；

6、支持更高的溫度下的先進(jìn)的集成供電；

此外，玻璃和硅因受熱而變形的程度相似，且比有機(jī)封裝更堅(jiān)硬且不易變形，因此，更容易讓更多的電線穿過(guò)它們，且更容易處理更高的溫度。這意味著可以為人工智能等創(chuàng)造更高密度、更高性能的芯片封裝——英特爾宣稱，其玻璃基板技術(shù)能夠?qū)蝹€(gè)封裝中的芯片區(qū)域增加50%。

 

▲主要的基板材料對(duì)比

 

同時(shí)，對(duì)于2.5D/3D封裝，玻璃通孔相對(duì)于硅通孔優(yōu)勢(shì)更顯著。硅通孔(Through Silicon ? ?Via，TSV)通過(guò)在芯片與芯片、晶圓與晶圓間制作垂直通孔，實(shí)現(xiàn)芯片間的直接互連。通過(guò)這種方式，能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片間的互連線最短、外形尺寸最小，顯著提高芯片速度，降低芯片功耗，因此，TSV被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)三維集成最有前景的技術(shù)。但硅是一種半導(dǎo)體材料，TSV 周圍的載流子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下可自由移動(dòng)，對(duì)鄰近的電路或信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響芯片性能。玻璃材料沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷，介電性能優(yōu)良，CTE(熱膨脹系數(shù))與硅接近，以玻璃替代硅材料的玻璃通孔(TGV)技術(shù)可避免TSV的問(wèn)題。同時(shí)，TGV 技術(shù)無(wú)需制作絕緣層，降低了工藝復(fù)雜度和加工成本。

 

 

三、玻璃基板面臨障礙

1、加工技術(shù)：玻璃基板硬度高、脆性強(qiáng)，對(duì)精密加工（如刻蝕、打孔、布線等）提出了高要求，需開(kāi)發(fā)專用工具和工藝以避免破裂和微裂紋。

2、脆性與抗損傷性：封裝及使用過(guò)程中需特別注意防止玻璃基板因外力導(dǎo)致的破損，需要研發(fā)抗損傷材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3、界面鍵合技術(shù)：需要開(kāi)發(fā)新型鍵合技術(shù)，如低溫玻璃-硅直接鍵合、玻璃-金屬共晶鍵合等，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健、低應(yīng)力、高可靠性的界面連接。

4、熱管理：雖然玻璃基板熱穩(wěn)定性好，但熱導(dǎo)率通常低于金屬，需要優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)或采用新型熱管理材料以應(yīng)對(duì)高功率芯片的散熱需求。

5、成本問(wèn)題：玻璃基板的制造與加工成本目前高于傳統(tǒng)有機(jī)基板，需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)?；a(chǎn)降低成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

6、產(chǎn)業(yè)鏈整合與標(biāo)準(zhǔn)化：推廣玻璃基板需要產(chǎn)業(yè)鏈各方（設(shè)備、材料、封裝服務(wù)、終端用戶）的協(xié)作與標(biāo)準(zhǔn)制定，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟與統(tǒng)一。

7、缺乏可靠的數(shù)據(jù)：與FR4、聚酰亞胺或味之素增粘膜 (ABF) 等傳統(tǒng)材料相比，長(zhǎng)期可靠性信息相對(duì)匱乏，可能需要數(shù)十年的數(shù)據(jù)來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)、性能指標(biāo)、和預(yù)期壽命。

四、AI高算力需求成為引爆點(diǎn)

玻璃基板不僅是材料上的革新，更是一場(chǎng)全球性的技術(shù)競(jìng)賽。玻璃基板可能成為各國(guó)共同完成的新領(lǐng)域，除基板制造商外，將吸引全球IT設(shè)備制造商和半導(dǎo)體企業(yè)參與。玻璃基板有望應(yīng)用在人工智能、高性能存儲(chǔ)與大模型高性能計(jì)算（基于光電子的計(jì)算和射頻、硅光集成、高帶寬存儲(chǔ)器）、6G通信領(lǐng)域。

 

▲預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，先進(jìn)封裝市場(chǎng)復(fù)合增速約 10%

 

ChatGPT、Sora徹底引爆了人工智能，對(duì)數(shù)據(jù)中心和傳輸效率提出了更高的要求，尤其是對(duì)低功耗、高帶寬的光模塊的需求更加迫切。高算力Chiplet芯片離不開(kāi)Cowos、FOEB等先進(jìn)封裝平臺(tái)，AI芯片尺寸/封裝基板越來(lái)越大，玻璃基封裝被提上日程。未來(lái)AI芯片是各家搶占的高地，玻璃技術(shù)成為提效降本的翹板，用在需要更大外形封裝（即數(shù)據(jù)中心、人工智能、圖形）和更高速度功能的應(yīng)用程序和工作負(fù)載，期望玻璃基板能夠構(gòu)建更高性能的多芯片系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）。從當(dāng)前行業(yè)進(jìn)展來(lái)看，封裝基板要過(guò)渡到玻璃基板，預(yù)計(jì)還需要一些時(shí)間。玻璃芯基板的良性發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游建立一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，從材料端層層向下到制程端、設(shè)備端等，都需要革新。材料選擇、制程工藝的選擇、自動(dòng)化傳輸、結(jié)構(gòu)堆棧的設(shè)計(jì)這些都會(huì)影響最后的良率，供應(yīng)鏈需進(jìn)行一番整合，才有辦法達(dá)成量產(chǎn)的可能性。

在短時(shí)間內(nèi)，芯片基板市場(chǎng)的主流還依舊會(huì)是有機(jī)材料，畢竟技術(shù)迭代完成商業(yè)化轉(zhuǎn)身也需要一個(gè)過(guò)渡時(shí)期，但可以肯定的是，有機(jī)材料在芯片基板舞臺(tái)上的重要性會(huì)逐漸被玻璃取代，玻璃和有機(jī)基板將在未來(lái)幾年共存。

有預(yù)測(cè)稱，一旦實(shí)現(xiàn)玻璃基板的規(guī)模商業(yè)化，其將成為基板行業(yè)新的游戲規(guī)則改變者。

 

弘璽投研