玻璃基板，成為新貴

隨著(zhù)AI和高性能電腦對計算能力和數據處理速度的需求日益增長(cháng)。半導體行業(yè)也邁入了異構時(shí)代，即封裝中廣泛采用多個(gè)“Chiplet”。

在這樣的背景下，信號傳輸速度的提升、功率傳輸的優(yōu)化、設計規則的完善以及封裝基板穩定性的增強顯得尤為關(guān)鍵。然而，當前廣泛應用的有機基板在面對這些挑戰時(shí)顯得力不從心，因此，尋求更優(yōu)質(zhì)的材料來(lái)替代有機基板。

玻璃基板，是英特爾作出的回答。

英特爾已在玻璃基板技術(shù)上投入了大約十年時(shí)間。去年9月，英特爾宣布率先推出用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板，并計劃在未來(lái)幾年內向市場(chǎng)提供完整的解決方案，從而使單個(gè)封裝內的晶體管數量不斷增加，繼續推動(dòng)摩爾定律，滿(mǎn)足以數據為中心的應用的算力需求。

英特爾表示，將于本十年晚些時(shí)候使用玻璃基板進(jìn)行先進(jìn)封裝。第一批獲得玻璃基板處理的產(chǎn)品將是其規模最大、利潤最高的產(chǎn)品，例如高端HPC（高性能計算）和AI芯片。

那么，玻璃基板究竟擁有哪些顯著(zhù)優(yōu)勢？它在未來(lái)的發(fā)展中又將如何發(fā)揮重要作用？

01

為什么需要玻璃基板？

基板的需求始于早期的大規模集成芯片，隨著(zhù)晶體管數量增加，需要將它們連接到更多的引腳上。在過(guò)去20多年的時(shí)間里，打造基板所用的主要材料是有機塑料，但隨著(zhù)單個(gè)封裝內的芯片和連線(xiàn)數量越來(lái)越多，有機基板正在接近物理極限。

因此，近年來(lái)出現了超高密度互連接口技術(shù)，如CoWoS和Intel的EMIB技術(shù)。這些技術(shù)使公司能夠用快速、高密度的硅片來(lái)橋接芯片的關(guān)鍵路徑，但成本相當高，而且沒(méi)有完全解決有機基板的缺點(diǎn)。

在這樣的背景下，業(yè)內公司開(kāi)始致力于探索有機基板的真正替代者，尋求一種能與大型芯片完美融合的基板材料。盡管這種材料在最高級別的需求上可能無(wú)法完全替代CoWoS或EMIB技術(shù)，但它卻能夠提供比現有有機基板更出色的信號傳輸性能和更密集的布線(xiàn)能力。

玻璃基板如何適用于大芯片和先進(jìn)封裝？

首先，玻璃的主要成分是二氧化硅，在高溫下更穩定。因此，玻璃基板可以更有效地處理更高的溫度，同時(shí)有效管理高性能芯片的散熱。這使得芯片具有卓越的熱穩定性和機械穩定性。

其次，玻璃基板可實(shí)現更高的互連密度，這對于下一代封裝中的電力傳輸和信號路由至關(guān)重要，這將顯著(zhù)增強芯片封裝內晶體管的連接性。典型的例子：英特爾將生產(chǎn)面向數據中心的系統級封裝（SiP），具有數十個(gè)小瓦片（tile），功耗可能高達數千瓦。此類(lèi)SiP需要小芯片之間非常密集的互連，同時(shí)確保整個(gè)封裝在生產(chǎn)過(guò)程中或使用過(guò)程中不會(huì )因熱量而彎曲。玻璃基板便是當下的最優(yōu)解。

最后，玻璃更容易變得平坦，這使得封裝和光刻變得更容易，這對于下一代SiP來(lái)說(shuō)非常重要。據悉，同樣面積下，玻璃基板的開(kāi)孔數量要比在有機材料上多得多，并且玻璃芯通孔之間的間隔能夠小于 100 微米，這直接能讓芯片之間的互連密度提升10倍。英特爾消息人士稱(chēng)，玻璃基板可將圖案畸變減少 50%，從而提高光刻的聚焦深度，從而確保半導體制造更加精密和準確。英特爾預計玻璃基板能夠實(shí)現容納多片硅的超大型24×24cm SiP，憑借單一封裝納入更多晶體管，從而實(shí)現更強大的算力。

02

業(yè)界巨頭爭相布局

不只是英特爾，在當今半導體領(lǐng)域的激烈競爭中，玻璃基板作為半導體行業(yè)的一顆璀璨新星，正受到包括三星、LG以及蘋(píng)果在內的眾多科技巨頭的青睞。

三星組建“軍團”加碼研發(fā)

近日，根據韓媒 sedaily 報道，三星集團已組建了一個(gè)新的跨部門(mén)聯(lián)盟，三星電子、三星顯示、三星電機等一眾旗下子公司們組成“統一戰線(xiàn)”，著(zhù)手聯(lián)合研發(fā)玻璃基板，推進(jìn)商業(yè)化。其中，預計三星電子將掌握半導體與基板相結合的信息，三星顯示將承擔玻璃加工等任務(wù)。

三星將玻璃基板視為芯片封裝的未來(lái)，在1月的CES 2024上，三星電機已提出，今年將建立一條玻璃基板原型生產(chǎn)線(xiàn)，目標是2025年生產(chǎn)原型，2026年實(shí)現量產(chǎn)。

組建“軍團”加碼研發(fā)，這足以見(jiàn)得三星集團對玻璃基板的重視，而在這項技術(shù)領(lǐng)域中，已有多個(gè)強勁對手入局。

LG Innotek已著(zhù)手準備

今年3月，LG Innotek CEO Moon Hyuk-soo 在例行股東大會(huì )上表示：“將把半導體基板和電子系統組件業(yè)務(wù)發(fā)展到第一?！痹诨卮鹩嘘P(guān)發(fā)展半導體玻璃基板業(yè)務(wù)的問(wèn)題時(shí)，Moon Hyuk-soo 表示：“我們半導體基板的主要客戶(hù)是美國一家大型半導體公司，該公司對玻璃基板表現出極大的興趣。當然，我們正在為此做準備?！?/p>

AMD開(kāi)始性能評估測試

AMD正對全球多家主要半導體基板企業(yè)的玻璃基板樣品進(jìn)行性能評估測試，計劃將這一先進(jìn)基板技術(shù)導入半導體制造。據悉，此次參與的上游企業(yè)包括日企新光電氣、臺企欣興電子、韓企三星電機和奧地利AT&S。業(yè)界預測AMD最早于2025—2026年的產(chǎn)品中導入玻璃基板，以提升其HPC產(chǎn)品的競爭力。

蘋(píng)果積極探索玻璃基板

據悉，蘋(píng)果也正積極探索將玻璃基板技術(shù)應用于芯片封裝 。玻璃基板的應用不僅是材料上的革新，更是一場(chǎng)全球性的技術(shù)競賽，它有望為芯片技術(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。蘋(píng)果公司的積極參與可能會(huì )加速玻璃基板技術(shù)的成熟，并為芯片性能的提升帶來(lái)新的突破。

除了芯片制造領(lǐng)域，玻璃基板還有望在智能手機、平板電腦、電視等消費電子產(chǎn)品的顯示屏制造中發(fā)揮重要作用。這些產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度不斷加快，對高質(zhì)量玻璃基板的需求也將持續增長(cháng)。

目前來(lái)看，臺積電在CoWoS領(lǐng)域火力全開(kāi)，接連獲得大廠(chǎng)訂單享受紅利，因而它并不急于投入巨資押注玻璃基板，仍將繼續沿著(zhù)現有路徑升級迭代，以保持領(lǐng)先地位不可撼動(dòng)?；蛟S等臺積電覺(jué)得時(shí)機成熟，將會(huì )大幅加碼。

03

先進(jìn)封裝中，主流的有機基板

在SiP及先進(jìn)封裝中最常用到的基板包含三類(lèi)：有機基板、陶瓷基板、硅基板。

有機基板由于具有介電常數低、質(zhì)量密度低、加工工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)占有率最高的基板。有機基板是在傳統印制電路板（PCB）的制造原理和工藝的基礎上發(fā)展而來(lái)的，其尺寸更小、電氣結構復雜，其制造難度遠高于普通PCB。

有機基板主要包含：剛性有機基板、柔性有機基板以及剛柔結合有機基板。

其中，剛性有機基板以熱固性樹(shù)脂為基材，采用無(wú)機填料和玻璃纖維作為增強材料。這種基板通過(guò)熱壓成型工藝制成層壓板，然后與銅箔復合制成。剛性有機基板適用于多種封裝形式，如WB-BGA（通用芯片封裝）、FC-BGA（處理器及南北橋芯片封裝）和FC-CSP（智能手機處理器及其它部件封裝）等。

柔性有機基板以CTE低且平整度高的PI薄膜為介質(zhì)層，由介質(zhì)層與銅箔復合制成。這種基板在LED/LCD、觸控屏、計算機硬盤(pán)、光驅連接及功能組件、智能手機、平板電腦和可穿戴設備等領(lǐng)域有廣泛應用。

除了上述兩種基板，還有一些其他類(lèi)型的有機基板也在先進(jìn)封裝中得到應用，例如ABF樹(shù)脂、BT樹(shù)脂和MIS基板等。這些基板材料的選擇取決于具體的應用需求、封裝形式以及芯片類(lèi)型等因素。

目前中國封裝材料和封裝基板的國產(chǎn)化率都比較低，先進(jìn)基板領(lǐng)域仍待突破。中國臺灣、日本及韓國地區在全球封裝基板市場(chǎng)中份額較高，行業(yè)競爭相對穩定。欣興電子、景碩科技、南亞電路、日月光材料等中國臺灣地區企業(yè)主要生產(chǎn)WB-CSP、WB-BGA、FC-CSP、FCBGA等封裝基板。

從中國大陸企業(yè)布局來(lái)看，近年來(lái)，越來(lái)越多的中國企業(yè)正拓展封裝基板領(lǐng)域，中國大陸目前仍處于快速擴產(chǎn)階段，高端FC-BGA基板可以應用于AI、5G、大數據等領(lǐng)域要求的高性能CPU、GPU，但目前FC-BGA基板市場(chǎng)由欣興電子、揖斐電、三星電機等企業(yè)壟斷，中國大陸頭部代表企業(yè)包括興森科技、深南電路等在2023年對于高端FC-BGA封裝基板方面積極布局，未來(lái)高端FC-BGA產(chǎn)能有望進(jìn)一步擴充。

04

取代有機基板？

根據MarketsandMarkets最近的研究，全球玻璃基板市場(chǎng)預計將從2023年的71億美元增長(cháng)到2028年的84億美元，2023年至2028年的復合年增長(cháng)率為3.5%。

如此來(lái)看，玻璃基板的市場(chǎng)前景是樂(lè )觀(guān)的，但是這一賽道依然面臨著(zhù)諸多不容忽視的挑戰。比如技術(shù)的不成熟和居高不下的成本是擋在玻璃基板商用面前的兩大攔路虎

玻璃基板雖然具有優(yōu)異的物理特性，如高平整度、低熱膨脹系數等，但其硬度大、脆性高的特點(diǎn)也增加了加工難度。如何在保證性能的同時(shí)，降低加工難度，提高良品率，是玻璃基板生產(chǎn)中的一大挑戰。

此外在玻璃基板的復雜的生產(chǎn)過(guò)程中，需要高精度的工藝和設備，對技術(shù)要求極高。同時(shí)，為了保持競爭優(yōu)勢，企業(yè)需要持續投入大量研發(fā)資金，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品升級。這也意味著(zhù)，與任何新技術(shù)一樣，玻璃基板的生產(chǎn)和封裝成本將比經(jīng)過(guò)驗證的有機基板更昂貴。這包括原材料成本、加工成本以及后續的封裝和測試成本。就連英特爾目前也還沒(méi)有談?wù)摼唧w的量產(chǎn)時(shí)間。

玻璃基板作為新生事物，其市場(chǎng)接受度還有待提高。同時(shí)，相關(guān)的行業(yè)標準和技術(shù)規范也尚未完善，這可能會(huì )影響其推廣和應用。如此來(lái)看，玻璃基板距離大范圍的商用或許需要十年以上的時(shí)間。

再者，玻璃基板與有機基板在各自的應用領(lǐng)域具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢，這使得它們各自在某些特定的使用場(chǎng)景中更為適用。有機基板多用于消費電子領(lǐng)域，而玻璃基板大概率應用于高性能運算等場(chǎng)景，雖然玻璃基板在某些技術(shù)上展現出的潛在優(yōu)勢是有機基板不具備的，但有機基板因其成本效益和在某些特定應用中的成熟性，仍具有穩定的市場(chǎng)需求。因此，兩者并不會(huì )完全取代對方，而是在各自的領(lǐng)域里發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

05

帶動(dòng)玻璃通孔技術(shù)成為熱門(mén)

不只是加速玻璃基板技術(shù)的研發(fā)，英特爾還計劃引入玻璃通孔技術(shù)TGV（Through Glass Via），將類(lèi)似于硅通孔的技術(shù)應用于玻璃基板。

在此之前簡(jiǎn)單了解什么是硅通孔，硅通孔技術(shù)即TSV（Through Silicon Via），它是通過(guò)在芯片與芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導通；TSV技術(shù)通過(guò)銅、鎢、多晶硅等導電物質(zhì)的填充，實(shí)現硅通孔的垂直電氣互聯(lián)，這項技術(shù)是目前唯一的垂直電互聯(lián)技術(shù)，是實(shí)現3D先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。

玻璃通孔是穿過(guò)玻璃基板的垂直電氣互連。與TSV相對應，作為一種可能替代硅基板的材料被認為是下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。

與硅基板相比，玻璃通孔互連技術(shù)具有優(yōu)良的高頻電學(xué)特性、大尺寸超薄玻璃基板成本低、工藝流程簡(jiǎn)單、機械穩定性強等優(yōu)勢?？蓱糜?.5D/3D晶圓級封裝、芯片堆疊、MEMS傳感器和半導體器件的3D集成、射頻元件和模塊、CMOS 圖像傳感器 、汽車(chē)射頻和攝像頭模塊?；诖?，玻璃通孔三維互連技術(shù)成為當前先進(jìn)封裝的研究熱點(diǎn)。

英特爾在玻璃基板領(lǐng)域的突破無(wú)疑為整個(gè)行業(yè)帶來(lái)了新的活力，同時(shí)也成功激發(fā)了業(yè)界對TGV技術(shù)以及基板性能的廣泛興趣和深遠期待。這一突破不僅彰顯了英特爾在技術(shù)創(chuàng )新上的領(lǐng)先地位，也為整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了全新的發(fā)展機遇。