玻璃基板，走到臺前

人工智能對高性能、可持續計算和網(wǎng)絡(luò )硅片的需求無(wú)疑增加了研發(fā)投入，加快了半導體技術(shù)創(chuàng )新的步伐。隨著(zhù)摩爾定律在芯片層面的放緩，人們希望在 ASIC 封裝內封裝盡可能多的芯片，并在封裝層面獲得摩爾定律的好處。

英特爾關(guān)于玻璃基板的演示

承載多個(gè)芯片的 ASIC 封裝通常由有機基板組成。有機基板由樹(shù)脂（主要是玻璃增強環(huán)氧層壓板）或塑料制成。根據封裝技術(shù)，芯片要么直接安裝在基板上，要么在它們之間有另一層硅中介層，以實(shí)現芯片之間的高速連接。有時(shí)在基板內部嵌入互連橋而不是中介層來(lái)提供這種高速連接。

有機基板的問(wèn)題在于它們容易出現翹曲問(wèn)題，尤其是在芯片密度較高的較大封裝尺寸中。這限制了封裝內可封裝的芯片數量。這時(shí)，玻璃基板可能會(huì )改變游戲規則。

玻璃基板的優(yōu)點(diǎn)

它們可以做得非常平坦，從而實(shí)現更精細的圖案化和更高的（10 倍）互連密度。在光刻過(guò)程中，整個(gè)基板會(huì )受到均勻曝光，從而減少缺陷。

玻璃具有與其上方的硅芯片相似的熱膨脹系數，可降低熱應力。

它們不會(huì )翹曲，并且可以在單個(gè)封裝中處理更高的芯片密度。初始原型可以處理比有機基板高 50% 的芯片密度。

可以無(wú)縫集成光學(xué)互連，從而產(chǎn)生更高效的共封裝光學(xué)器件。

這些通常是矩形晶圓，可增加每個(gè)晶圓上的芯片數量，從而提高產(chǎn)量并降低成本。

玻璃基板有可能取代封裝內的有機基板、硅中介層和其他高速嵌入式互連。

然而，也存在一些挑戰：玻璃易碎，在制造過(guò)程中容易破裂。這種脆弱性需要小心處理和使用專(zhuān)門(mén)的設備，以防止在制造過(guò)程中損壞。確保玻璃基板與半導體堆棧中使用的其他材料（如金屬和電介質(zhì)）之間有適當的粘合是一項挑戰。材料特性的差異會(huì )導致界面處產(chǎn)生應力，從而可能導致分層或其他可靠性問(wèn)題。雖然玻璃的熱膨脹系數與硅相似，但它與 PCB 板/凸塊中使用的材料有很大不同。這種不匹配會(huì )在溫度循環(huán)過(guò)程中引起熱應力，影響可靠性和性能。

由于缺乏既定的玻璃基板行業(yè)標準，導致不同供應商的性能存在差異。由于該技術(shù)尚屬新興技術(shù)，因此缺乏足夠的長(cháng)期可靠性數據。需要進(jìn)行更多的加速壽命測試，才能確保將這些封裝用于高可靠性應用。

盡管存在缺點(diǎn)，玻璃基板對于 HPC/AI 和 DC 網(wǎng)絡(luò )硅片仍有很大的前景，其重點(diǎn)是在 ASIC 封裝內封裝盡可能多的吞吐量，以提高系統的整體規模、性能和效率。

英特爾、臺積電、三星和 SKC 等主要代工廠(chǎng)都在大力投資這項技術(shù)。2023 年 9 月，英特爾推出行業(yè)首個(gè)玻璃基板先進(jìn)封裝計劃，宣布在 2030 年之前面向先進(jìn)封裝采用玻璃基板。英特爾預計到 2030 年末，半導體行業(yè)可能會(huì )達到其使用有機材料在硅封裝上縮放晶體管的極限。

隨著(zhù)對更強大計算的需求增加，半導體行業(yè)進(jìn)入在封裝中使用多個(gè)「小芯片」的異構時(shí)代，提高信號傳輸速度、功率傳輸、設計規則和封裝基板的穩定性將是至關(guān)重要的。與目前使用的有機基板相比，玻璃基板具有優(yōu)異的機械、物理和光學(xué)性能，可以在封裝中連接更多的晶體管，提供更好的可擴展性，并組裝更大的小芯片復合體（SoC，系統級封裝）。玻璃基板技術(shù)或成為幫助英特爾在一個(gè)封裝上擴展 1 萬(wàn)億個(gè)晶體管目標的關(guān)鍵。

去年 5 月初，三星電機 (Samsung Electro Mechanics) 宣布預期 2026 年面向高端 SiP 開(kāi)始生產(chǎn)玻璃基板。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)。京東方、臺積電、群升工業(yè)、安普電子等也在積極探索玻璃基板技術(shù)。先進(jìn)封裝產(chǎn)能擴張速度難以跟上 AI 芯片爆發(fā)式增長(cháng)的需求，使用玻璃基板的先進(jìn)封裝是優(yōu)秀解決方案。

在芯片設計方面，AMD 正積極進(jìn)行芯片產(chǎn)品導入玻璃基板測試；玻璃基板業(yè)務(wù)已經(jīng)趨于成熟，康寧、旭硝子、肖特均具備高精度玻璃晶圓或基板供應能力；在激光通孔業(yè)務(wù)上，LPKF、Samtec 等廠(chǎng)商能夠提供成熟的激光通孔（TGV）解決方案。