下一代芯片重要技術(shù) —— 玻璃基板，封裝競爭新節(jié)點(diǎn)？

根據(jù)最新市場消息

NEWS

”

什么是玻璃基板？

芯片基板是用來固定晶圓切好的晶片（Die），封裝的最后一步的主角，基板上固定的晶片越多，整個(gè)芯片的晶體管數(shù)量就越多。自上世紀(jì)70年代以來，芯片基板材料經(jīng)歷了兩次迭代，最開始是利用引線框架固定晶片，到90年代陶瓷基板取代了引線框架，而現(xiàn)在最常見的是有機(jī)材料基板。

在這個(gè)背景下，玻璃基板應(yīng)運(yùn)而生。玻璃基板具有卓越的機(jī)械、物理和光學(xué)特性，能夠構(gòu)建更高性能的多芯片SiP，在芯片上多放置50%的Die。相比之下，玻璃基板具有獨(dú)特的性能，比如超低平面度（極為平整）、更好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性：由于玻璃材料非常平整，可改善光刻的聚焦深度，同樣面積下，開孔數(shù)量要比在有機(jī)材料上多得多，玻璃通孔（TGV）之間的間隔能夠小于100微米，這直接能讓晶片之間的互連密度提升10倍；此外，玻璃基板的熱膨脹系數(shù)與晶片更為接近，更高的溫度耐受可使變形減少50％，可以降低斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，增加芯片的可靠性。這些優(yōu)勢使得玻璃基板成為了下一代高密度封裝的理想選擇。

相較于傳統(tǒng)有機(jī)基板，玻璃芯基板的厚度可以減少一半左右，玻璃基板不僅功耗更低，而且信號傳輸速度更快，有望為服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心中的大型耗電芯片帶來速度和功耗優(yōu)勢。玻璃通孔現(xiàn)在正被成功應(yīng)用于玻璃基板上，與以往相比，新一代處理器將在更小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的組件，從而提高了設(shè)備的緊湊性和性能。

玻璃基板的易碎性、缺乏與金屬線的黏合力以及通孔填充的均勻性等問題，也為制造過程帶來了不小的挑戰(zhàn)：選擇適合的玻璃基板材料并確保它與芯片材料的兼容性是一個(gè)挑戰(zhàn)，這涉及到材料的熱膨脹系數(shù)、機(jī)械性能、介電特性等方面的匹配；玻璃基板上的連接技術(shù)需要具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，以確保芯片與外部電路的連接質(zhì)量；與傳統(tǒng)塑料封裝相比，玻璃基板封裝的制造成本可能較高，如何確保在大規(guī)模生產(chǎn)中保持一致的質(zhì)量和性能也是需要解決的問題。

玻璃基板的特性非常適合Chiplet，由于小芯片設(shè)計(jì)對基板的信號傳輸速度、供電能力、設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性提出了新的要求，在改用玻璃基板后就可以滿足這些要求。

另與硅相比，玻璃的高透明度和不同反射系數(shù)也為檢測和測量帶來了難度。許多適用于不透明或半透明材料的測量技術(shù)在玻璃上都不太有效，可能導(dǎo)致訊號失真或丟失，影響測量精度。更重要的是，玻璃基板需要建立一個(gè)可行的商業(yè)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)，這包括必要的工具和供應(yīng)能力。

芯片領(lǐng)域的新寵

盡管仍存在諸多挑戰(zhàn)，以及缺乏可靠性數(shù)據(jù)等，但其無與倫比的平整度和熱性能為下一代緊湊型高性能封裝提供了基礎(chǔ)，讓玻璃基板作為芯片下一代重要技術(shù)的潛力不容忽視。

玻璃基板可為英特爾帶來巨大的競爭飛躍，可以看到它已被添加到最新的路線圖產(chǎn)品中。英特爾正朝著2030年在單個(gè)封裝上集成1萬億個(gè)晶體管的目標(biāo)前進(jìn)，玻璃基板將是推動這一目標(biāo)落地的強(qiáng)有力支持。

• 3月25日，LG Innotek也宣布入局玻璃基板的開發(fā)，將半導(dǎo)體基板做到第一是他們的業(yè)務(wù)目標(biāo)。在回答有關(guān)發(fā)展半導(dǎo)體玻璃基板業(yè)務(wù)的問題時(shí)，其CEO表示：“我們半導(dǎo)體基板的主要客戶是美國一家大型半導(dǎo)體公司，該公司對玻璃基板表現(xiàn)出極大的興趣。當(dāng)然，我們正在為此做準(zhǔn)備?！?/span>

  
  

• 日本DNP公司展示新開發(fā)成果玻璃基板，示意圖甚至完全從封裝中省略了細(xì)間距載板，暗示這部分可能不再需要。據(jù)介紹，使用玻璃基板可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的間距，因此可以實(shí)現(xiàn)極其密集的布線，因?yàn)樗膊⑶也灰滓蚋邷囟蛎?。DNP表示相信玻璃將在倒裝芯片球柵陣列等高端芯片封裝中取代樹脂，提出了在2027年大規(guī)模量產(chǎn)TGV玻璃基板的目標(biāo)。

  
  

• 作為全球第一大基板供應(yīng)商，日本Ibiden也在去年10月宣布，擬將玻璃基板作為一項(xiàng)新業(yè)務(wù)研發(fā)。據(jù)知情人士透露，當(dāng)前Ibiden正處于半導(dǎo)體封裝用玻璃芯基板技術(shù)的探索階段。

  
  

• SK集團(tuán)旗下的Absolics，去年又投資了6億美元，計(jì)劃在喬治亞州科文頓建一座月產(chǎn)能達(dá)4000塊的玻璃基板工廠。Absolics表示隨著微處理的性能提升已達(dá)到極限，半導(dǎo)體行業(yè)正在積極利用異構(gòu)封裝，但現(xiàn)有的半導(dǎo)體載板必須通過稱為硅中介層的中間載板連接到半導(dǎo)體芯片，而內(nèi)置無源元件的玻璃載板可以在相同尺寸下集成更多的芯片，功耗也減少了一半。
  

英特爾和三星的積極部署，可以理解為是其迎戰(zhàn)臺積電的一大策略。當(dāng)前，在先進(jìn)工藝領(lǐng)域臺積電依舊領(lǐng)先，而在先進(jìn)封裝領(lǐng)域臺積電CoWoS實(shí)力雄厚，擁有較高的專利壁壘。英特爾和三星除在工藝層面加緊布局之外，先進(jìn)封裝領(lǐng)域也需要尋求新的路徑實(shí)現(xiàn)追趕甚至超越，而玻璃基板成為一個(gè)最佳的“跳板”，雖然不能在最高級別取代CoWoS/EMIB的需求，但可以提供比當(dāng)前有機(jī)基板更好的信號性能和更密集的布線。

有行業(yè)專家表示，臺積電對玻璃基板雖然還沒有相關(guān)動作，但應(yīng)該也在密切關(guān)注。臺積電在CoWoS領(lǐng)域火力全開，接連獲得大廠訂單享受紅利，因而并不急于投入巨資押注玻璃基板，仍將繼續(xù)沿著現(xiàn)有路徑升級迭代，以保持領(lǐng)先地位不可撼動。而一旦臺積電覺得時(shí)機(jī)成熟，將會大幅加碼。

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，更是一場全球性的技術(shù)競賽。玻璃基板可能成為各國共同完成的新領(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、高帶寬存儲器）、6G通信領(lǐng)域。

ChatGPT、Sora徹底引爆了人工智能，對數(shù)據(jù)中心和傳輸效率提出了更高的要求，尤其是對低功耗、高帶寬的光模塊的需求更加迫切。高算力Chiplet芯片離不開Cowos、FOEB等先進(jìn)封裝平臺，AI芯片尺寸/封裝基板越來越大，玻璃基封裝被提上日程。未來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)級封裝（SiP）。

英偉達(dá)指出，AI所需的網(wǎng)絡(luò)連接帶寬將激增32倍，繼續(xù)使用傳統(tǒng)光模塊將導(dǎo)致成本翻倍和額外的20-25%功耗。共封裝光學(xué)技術(shù)將硅光模塊和CMOS芯片封裝集成，使用玻璃基板，從玻璃基板邊緣進(jìn)行插拔互聯(lián)，有望降低現(xiàn)有可插拔光模塊架構(gòu)的功耗達(dá)50%，成為滿足AI高算力需求的高效能比解決方案。