玻璃基板，成為新貴

隨著AI和高性能電腦對計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理速度的需求日益增長。半導(dǎo)體行業(yè)也邁入了異構(gòu)時代，即封裝中廣泛采用多個“Chiplet”。

在這樣的背景下，信號傳輸速度的提升、功率傳輸?shù)膬?yōu)化、設(shè)計(jì)規(guī)則的完善以及封裝基板穩(wěn)定性的增強(qiáng)顯得尤為關(guān)鍵。然而，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的有機(jī)基板在面對這些挑戰(zhàn)時顯得力不從心，因此，尋求更優(yōu)質(zhì)的材料來替代有機(jī)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(jì)劃在未來幾年內(nèi)向市場提供完整的解決方案，從而使單個封裝內(nèi)的晶體管數(shù)量不斷增加，繼續(xù)推動摩爾定律，滿足以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用的算力需求。

英特爾表示，將于本十年晚些時候使用玻璃基板進(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(guī)模最大、利潤最高的產(chǎn)品，例如高端HPC（高性能計(jì)算）和AI芯片。

那么，玻璃基板究竟擁有哪些顯著優(yōu)勢？它在未來的發(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(guī)模集成芯片，隨著晶體管數(shù)量增加，需要將它們連接到更多的引腳上。在過去20多年的時間里，打造基板所用的主要材料是有機(jī)塑料，但隨著單個封裝內(nèi)的芯片和連線數(shù)量越來越多，有機(jī)基板正在接近物理極限。

因此，近年來出現(xiàn)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、高密度的硅片來橋接芯片的關(guān)鍵路徑，但成本相當(dāng)高，而且沒有完全解決有機(jī)基板的缺點(diǎn)。

在這樣的背景下，業(yè)內(nèi)公司開始致力于探索有機(jī)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法完全替代CoWoS或EMIB技術(shù)，但它卻能夠提供比現(xiàn)有有機(jī)基板更出色的信號傳輸性能和更密集的布線能力。

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(wěn)定。因此，玻璃基板可以更有效地處理更高的溫度，同時有效管理高性能芯片的散熱。這使得芯片具有卓越的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。

其次，玻璃基板可實(shí)現(xiàn)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，這將顯著增強(qiáng)芯片封裝內(nèi)晶體管的連接性。典型的例子：英特爾將生產(chǎn)面向數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)級封裝（SiP），具有數(shù)十個小瓦片（tile），功耗可能高達(dá)數(shù)千瓦。此類SiP需要小芯片之間非常密集的互連，同時確保整個封裝在生產(chǎn)過程中或使用過程中不會因熱量而彎曲。玻璃基板便是當(dāng)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來說非常重要。據(jù)悉，同樣面積下，玻璃基板的開孔數(shù)量要比在有機(jī)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，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(dǎo)體制造更加精密和準(zhǔn)確。英特爾預(yù)計(jì)玻璃基板能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)更強(qiáng)大的算力。

02

業(yè)界巨頭爭相布局

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

三星組建“軍團(tuán)”加碼研發(fā)

近日，根據(jù)韓媒 sedaily 報(bào)道，三星集團(tuán)已組建了一個新的跨部門聯(lián)盟，三星電子、三星顯示、三星電機(jī)等一眾旗下子公司們組成“統(tǒng)一戰(zhàn)線”，著手聯(lián)合研發(fā)玻璃基板，推進(jìn)商業(yè)化。其中，預(yù)計(jì)三星電子將掌握半導(dǎo)體與基板相結(jié)合的信息，三星顯示將承擔(dān)玻璃加工等任務(wù)。

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

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

LG Innotek已著手準(zhǔn)備

今年3月，LG Innotek CEO Moon Hyuk-soo 在例行股東大會上表示：“將把半導(dǎo)體基板和電子系統(tǒng)組件業(yè)務(wù)發(fā)展到第一?！痹诨卮鹩嘘P(guān)發(fā)展半導(dǎo)體玻璃基板業(yè)務(wù)的問題時，Moon Hyuk-soo 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。”

AMD開始性能評估測試

AMD正對全球多家主要半導(dǎo)體基板企業(yè)的玻璃基板樣品進(jìn)行性能評估測試，計(jì)劃將這一先進(jìn)基板技術(shù)導(dǎo)入半導(dǎo)體制造。據(jù)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(jī)和奧地利AT&S。業(yè)界預(yù)測AMD最早于2025—2026年的產(chǎn)品中導(dǎo)入玻璃基板，以提升其HPC產(chǎn)品的競爭力。

蘋果積極探索玻璃基板

據(jù)悉，蘋果也正積極探索將玻璃基板技術(shù)應(yīng)用于芯片封裝 。玻璃基板的應(yīng)用不僅是材料上的革新，更是一場全球性的技術(shù)競賽，它有望為芯片技術(shù)帶來革命性的突破，并可能成為未來芯片發(fā)展的關(guān)鍵方向之一。蘋果公司的積極參與可能會加速玻璃基板技術(shù)的成熟，并為芯片性能的提升帶來新的突破。

除了芯片制造領(lǐng)域，玻璃基板還有望在智能手機(jī)、平板電腦、電視等消費(fèi)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(xù)增長。

目前來看，臺積電在CoWoS領(lǐng)域火力全開，接連獲得大廠訂單享受紅利，因而它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?；蛟S等臺積電覺得時機(jī)成熟，將會大幅加碼。

03

先進(jìn)封裝中，主流的有機(jī)基板

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

有機(jī)基板由于具有介電常數(shù)低、質(zhì)量密度低、加工工藝簡單、生產(chǎn)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場占有率最高的基板。有機(jī)基板是在傳統(tǒng)印制電路板（PCB）的制造原理和工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其尺寸更小、電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其制造難度遠(yuǎn)高于普通PCB。

有機(jī)基板主要包含：剛性有機(jī)基板、柔性有機(jī)基板以及剛?cè)峤Y(jié)合有機(jī)基板。

其中，剛性有機(jī)基板以熱固性樹脂為基材，采用無機(jī)填料和玻璃纖維作為增強(qiáng)材料。這種基板通過熱壓成型工藝制成層壓板，然后與銅箔復(fù)合制成。剛性有機(jī)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(jī)處理器及其它部件封裝）等。

柔性有機(jī)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(fù)合制成。這種基板在LED/LCD、觸控屏、計(jì)算機(jī)硬盤、光驅(qū)連接及功能組件、智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

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

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(qū)在全球封裝基板市場中份額較高，行業(yè)競爭相對穩(wěn)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(qū)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)布局來看，近年來，越來越多的中國企業(yè)正拓展封裝基板領(lǐng)域，中國大陸目前仍處于快速擴(kuò)產(chǎn)階段，高端FC-BGA基板可以應(yīng)用于AI、5G、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域要求的高性能CPU、GPU，但目前FC-BGA基板市場由欣興電子、揖斐電、三星電機(jī)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，未來高端FC-BGA產(chǎn)能有望進(jìn)一步擴(kuò)充。

04

取代有機(jī)基板？

根據(jù)MarketsandMarkets最近的研究，全球玻璃基板市場預(yù)計(jì)將從2023年的71億美元增長到2028年的84億美元，2023年至2028年的復(fù)合年增長率為3.5%。

如此來看，玻璃基板的市場前景是樂觀的，但是這一賽道依然面臨著諸多不容忽視的挑戰(zhàn)。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(shù)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，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(zhàn)。

此外在玻璃基板的復(fù)雜的生產(chǎn)過程中，需要高精度的工藝和設(shè)備，對技術(shù)要求極高。同時，為了保持競爭優(yōu)勢，企業(yè)需要持續(xù)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，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)過驗(yàn)證的有機(jī)基板更昂貴。這包括原材料成本、加工成本以及后續(xù)的封裝和測試成本。就連英特爾目前也還沒有談?wù)摼唧w的量產(chǎn)時間。

玻璃基板作為新生事物，其市場接受度還有待提高。同時，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范也尚未完善，這可能會影響其推廣和應(yīng)用。如此來看，玻璃基板距離大范圍的商用或許需要十年以上的時間。

再者，玻璃基板與有機(jī)基板在各自的應(yīng)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景中更為適用。有機(jī)基板多用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，而玻璃基板大概率應(yīng)用于高性能運(yùn)算等場景，雖然玻璃基板在某些技術(shù)上展現(xiàn)出的潛在優(yōu)勢是有機(jī)基板不具備的，但有機(jī)基板因其成本效益和在某些特定應(yīng)用中的成熟性，仍具有穩(wěn)定的市場需求。因此，兩者并不會完全取代對方，而是在各自的領(lǐng)域里發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

05

帶動玻璃通孔技術(shù)成為熱門

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

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

玻璃通孔是穿過玻璃基板的垂直電氣互連。與TSV相對應(yīng)，作為一種可能替代硅基板的材料被認(rèn)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、工藝流程簡單、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢?？蓱?yīng)用于2.5D/3D晶圓級封裝、芯片堆疊、MEMS傳感器和半導(dǎo)體器件的3D集成、射頻元件和模塊、CMOS 圖像傳感器 、汽車射頻和攝像頭模塊。基于此，玻璃通孔三維互連技術(shù)成為當(dāng)前先進(jìn)封裝的研究熱點(diǎn)。

英特爾在玻璃基板領(lǐng)域的突破無疑為整個行業(yè)帶來了新的活力，同時也成功激發(fā)了業(yè)界對TGV技術(shù)以及基板性能的廣泛興趣和深遠(yuǎn)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，也為整個電子產(chǎn)業(yè)帶來了全新的發(fā)展機(jī)遇。