玻璃基板，“明日”紅花

作者：豐寧

本文開(kāi)始之前，筆者想先給讀者講一個(gè)故事。

想象一下，有這么一座橋，它的建設(shè)需求最初源自連接小鎮(zhèn)上的幾座小規(guī)模房屋。之后，隨著小鎮(zhèn)的發(fā)展，房屋增多，車(chē)輛和人流激增，慢慢的這座木質(zhì)橋梁開(kāi)始顯得力不從心，接近其承載極限。于是，人們開(kāi)始嘗試建造更先進(jìn)、更高密度的橋梁，建造之時(shí)采用了新型鋼材與特殊結(jié)構(gòu)。然而，這些大橋雖然能夠高效連接關(guān)鍵區(qū)域，但成本高昂，且并未完全解決木質(zhì)橋梁的所有問(wèn)題。因此，開(kāi)始有建筑師探索新的建筑材料，他們想要找到一種既能與小鎮(zhèn)的快速發(fā)展相匹配，又能提供卓越通行能力的橋梁材料。

上述這則故事，便是當(dāng)前部分半導(dǎo)體細(xì)分領(lǐng)域的寫(xiě)照。

?1、半導(dǎo)體行業(yè)中，小橋的故事

對(duì)應(yīng)的，筆者想要切入的正題，便是基板。那座“日漸顯得力不從心的木橋”便是如今“有機(jī)基板”的代表。

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(guò)去20多年的時(shí)間里，打造基板所用的主要材料是有機(jī)塑料，但隨著單個(gè)封裝內(nèi)的芯片和連線(xiàn)數(shù)量越來(lái)越多，有機(jī)基板正在接近物理極限。建造新橋之時(shí)采用的“新型鋼材與特殊結(jié)構(gòu)”便是當(dāng)下芯片龍頭開(kāi)發(fā)的“超高密度互連接口技術(shù)”，比如臺(tái)積電的CoWoS和Intel的EMIB。

而建筑師探索到的“新型建筑材料”便是“玻璃基板”。玻璃基板是一種能與大型芯片完美融合的基板材料。盡管它在最高級(jí)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(xiàn)有有機(jī)基板更出色的信號(hào)傳輸性能和更密集的布線(xiàn)能力。如此一來(lái)，為什么要研究開(kāi)發(fā)玻璃基板也就不難理解了。

2、玻璃基板這座“橋”，強(qiáng)在哪里？

從當(dāng)前基板材料上看，主要分為 BT、ABF 基板兩類(lèi)。

BT 基板：具有較高的玻璃化溫度、優(yōu)秀的介電性能、低熱膨脹率、良好的力學(xué)特征等性能，因此廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)器、射頻、手機(jī) AP 等領(lǐng)域，但由于其具有較硬的玻纖砂層，雖然能夠穩(wěn)定尺寸，防止熱脹冷縮影響良率，但同時(shí)鉆孔難度較高，較難滿(mǎn)足目前精細(xì)化、高多層化的基板需求。

ABF 基板：多層數(shù)、細(xì)線(xiàn)路等優(yōu)勢(shì)更適配于更先進(jìn)制程 I/O 端口數(shù)較多的場(chǎng)景，應(yīng)用于高性能運(yùn)算芯片，主要用于 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等高性能運(yùn)算芯片。臺(tái)積電的CoWoS封裝技術(shù)核心是將不同的芯片堆疊在同一片硅中介層實(shí)現(xiàn)多顆芯片的互聯(lián)，其中將采用到封裝基板+硅中介層的方案，而封裝基板主要以 ABF 基板為主。與多年來(lái)一直作為主流技術(shù)的有機(jī)基板不同，玻璃基板具有諸多優(yōu)勢(shì)可適用于大芯片和先進(jìn)封裝。

第一，玻璃的主要成分是二氧化硅，玻璃具有卓越的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和電氣性能。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(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。

第二，玻璃基板可實(shí)現(xiàn)更高的互連密度，這對(duì)于下一代封裝中的電力傳輸和信號(hào)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。比如：英特爾將生產(chǎn)面向數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP），具有數(shù)十個(gè)小瓦片（tile），功耗可能高達(dá)數(shù)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(dāng)下的最優(yōu)解。

第三，玻璃更容易變得平坦，這使得封裝和光刻變得更容易，這對(duì)于下一代SiP來(lái)說(shuō)非常重要。據(jù)悉，同樣面積下，玻璃基板的開(kāi)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。據(jù)英特爾介紹，玻璃基板可減少50%圖案失真，布線(xiàn)密度可實(shí)現(xiàn)10倍提升，可改善光刻的焦距和深度，具備出色的平整度。因此，玻璃基板能夠滿(mǎn)足高性能、高密度AI芯片對(duì)于封裝的需求，機(jī)械性能的改進(jìn)使得玻璃基板能夠提高超大尺寸封裝的良率。

第四，玻璃基板不僅為工程師提供了更高設(shè)計(jì)靈活性，可通過(guò)嵌入電感、電容實(shí)現(xiàn)優(yōu)良供電方案并降低功耗，而且能結(jié)合上方、下方布線(xiàn)層及其他輔助材料制造基板，用以完美解決當(dāng)前有機(jī)基板的諸多短板。

3、芯片巨頭，扎堆2026年

今年初，英偉達(dá)以GB200為核心發(fā)布多款突破產(chǎn)品，且宣布英偉達(dá)GB200采用的先進(jìn)封裝工藝將使用玻璃基板的供應(yīng)鏈已經(jīng)啟動(dòng)，目前處于設(shè)計(jì)微調(diào)和測(cè)試簡(jiǎn)短。GB200芯片引領(lǐng)算力提升的同時(shí)，也使玻璃基板的受關(guān)注度再升一個(gè)等級(jí)。

AMD獲玻璃基板專(zhuān)利，有望2026年商用

近日，AMD獲得一項(xiàng)涵蓋玻璃基板技術(shù)的專(zhuān)利?，這是AMD首度釋放出其積極投身玻璃基板研究領(lǐng)域的明確信號(hào)。根據(jù)AMD專(zhuān)利顯示，使用玻璃基板時(shí)面臨的挑戰(zhàn)之一，是如何實(shí)現(xiàn)玻璃通孔（TGV）。

TGV是在玻璃核心內(nèi)建立的垂直渠道，以傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)和電源，目前可通過(guò)激光鉆孔、濕式蝕刻和磁性自組裝（magnetic self-assembly）等技術(shù)進(jìn)行穿孔。再分配層（使用高密度互連在芯片和外部組件之間路由信號(hào)和電源）是高級(jí)芯片封裝的另一個(gè)不可或缺的組件。與主要的玻璃芯基板不同，這些基板將繼續(xù)使用有機(jī)介電材料和銅，只是它們將構(gòu)建在玻璃基板的一側(cè)，并需要一種新的生產(chǎn)方法。

AMD的專(zhuān)利描述了一種使用銅基鍵合（而不是傳統(tǒng)的焊料凸點(diǎn)）鍵合多個(gè)玻璃基板的方法，以確保牢固、無(wú)間隙的連接。這種方法提高了可靠性，并且無(wú)需底部填充材料，使其適合堆疊多個(gè)基板。據(jù)悉，AMD計(jì)劃于2025年至2026年間采用玻璃基板為其芯片打造超高性能系統(tǒng)級(jí)封裝。值得注意的是，今年早些時(shí)候，市場(chǎng)消息稱(chēng)AMD正在整合市場(chǎng)上的玻璃基板供應(yīng)商，進(jìn)一步開(kāi)始對(duì)各玻璃基板樣品進(jìn)行評(píng)估測(cè)試，以便能在2025~2026年開(kāi)始進(jìn)行采用玻璃基板的芯片生產(chǎn)。如此看來(lái)，AMD確在加碼玻璃基板的研發(fā)。

英特爾：計(jì)劃于2026年至2030年量產(chǎn)

2023年9月，英特爾宣布推出業(yè)界首款用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板，計(jì)劃于2026 年至 2030 年量產(chǎn)。英特爾已在玻璃基板技術(shù)上投入了大約十年時(shí)間，是最早開(kāi)發(fā)出玻璃基板解決方案的公司。作為研發(fā)工作的第一個(gè)成果，英特爾已經(jīng)完成了一組芯片測(cè)試試板的組裝—在玻璃基板上構(gòu)建的多芯片封裝。這些芯片使用了 3 層 RDL，TGV 間距為 75μm，產(chǎn)品看起來(lái)是英特爾超低功耗移動(dòng)芯片。

英特爾表示，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(rùn)最高的產(chǎn)品，例如高端HPC和AI芯片。并且英特爾計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到越來(lái)越小的芯片中，直到普通消費(fèi)芯片也能使用這項(xiàng)技術(shù)。該公司樂(lè)觀地認(rèn)為能將玻璃基板的成本降低到與有機(jī)基板相當(dāng)?shù)乃?，最終使低價(jià)處理器也能從中獲益。英特爾還計(jì)劃向IFS客戶(hù)提供玻璃基板，這將使其在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位，尤其是在生產(chǎn)高端、高利潤(rùn)芯片方面。

英特爾相信，陶瓷和有機(jī)基板將在未來(lái)幾年達(dá)到其能力的極限。據(jù)英特爾稱(chēng)，到本世紀(jì)末，半導(dǎo)體行業(yè)可能會(huì)達(dá)到使用有機(jī)材料在硅封裝上擴(kuò)展晶體管的極限。因此，在規(guī)?；瘜?duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展至關(guān)重要的時(shí)候，玻璃基板是下一代半導(dǎo)體可行且必不可少的下一步。

三星：2025年生產(chǎn)原型，2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

據(jù)悉，三星集團(tuán)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(jī)等一眾旗下子公司們組成“統(tǒng)一戰(zhàn)線(xiàn)”，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(lái)，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(xiàn)，目標(biāo)是2025年生產(chǎn)原型，2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

業(yè)內(nèi)人士表示，三星電機(jī)已選定了玻璃基板中試線(xiàn)的設(shè)備供應(yīng)商，包括韓國(guó)企業(yè) Philoptics、重友和來(lái)自海外的 Chemtronics、LPKF 樂(lè)普科，預(yù)計(jì)該產(chǎn)線(xiàn)最早于今年四季度投入運(yùn)行。英特爾和三星的積極部署，可以理解為是其迎戰(zhàn)臺(tái)積電的一大策略。當(dāng)前，在先進(jìn)工藝領(lǐng)域臺(tái)積電依舊領(lǐng)先，而在先進(jìn)封裝領(lǐng)域臺(tái)積電CoWoS實(shí)力雄厚，擁有較高的專(zhuān)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，而玻璃基板成為選擇之一。

除了上述三家公司之外，在這項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域中，還有多個(gè)強(qiáng)勁對(duì)手入局。韓國(guó)SK集團(tuán)旗下的Absolics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。

SK海力士通過(guò)這家美國(guó)子公司涉足該領(lǐng)域，計(jì)劃在2025年初開(kāi)始量產(chǎn)，從而成為最早加入玻璃基板競(jìng)爭(zhēng)的公司之一。今年3月，LG Innotek CEO Moon Hyuk-soo在回答有關(guān)發(fā)展半導(dǎo)體玻璃基板業(yè)務(wù)的問(wèn)題時(shí)表示：“我們半導(dǎo)體基板的主要客戶(hù)是美國(guó)一家大型半導(dǎo)體公司，該公司對(duì)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?！比毡綝NP展示了半導(dǎo)體封裝的一項(xiàng)新開(kāi)發(fā)成果——玻璃基板，據(jù)稱(chēng)可以解決ABF帶來(lái)的許多問(wèn)題，準(zhǔn)備在2027年量產(chǎn)。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)。此外，蘋(píng)果也正積極探索將玻璃基板技術(shù)應(yīng)用于芯片封裝。

玻璃基板這片競(jìng)爭(zhēng)高地，中國(guó)廠商也在全力角逐布局。中國(guó)廠商沃格光電去年12月在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，已具備玻璃基板級(jí)封裝載板技術(shù)，且目前具備小批量產(chǎn)品供貨能力，并且提前做了一定的新建產(chǎn)能布局。公司擁有的玻璃基板級(jí)封裝載板產(chǎn)品采用TGV巨量微通孔技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)芯片包括存儲(chǔ)芯片的多層堆疊（2.5D/3D垂直封裝），同時(shí)玻璃基鍍銅通孔技術(shù)可以根據(jù)不同封裝基板產(chǎn)品形態(tài)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足不同類(lèi)型芯片封裝和連接需求，目前公司基于TGV技術(shù)多個(gè)項(xiàng)目處于合作開(kāi)發(fā)驗(yàn)證階段，部分產(chǎn)品通過(guò)客戶(hù)驗(yàn)證通過(guò)。

此外，長(zhǎng)電科技也在進(jìn)行玻璃基板封裝項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。還有一些廠商，如賽微電子、云天半導(dǎo)體等在推動(dòng)玻璃基板的主要制程技術(shù)—玻璃通孔的研發(fā)進(jìn)程。在BOE IPC 2024上，京東方正式發(fā)布并展出面向半導(dǎo)體封裝的玻璃基滿(mǎn)板級(jí)封裝載板，成為大陸第一家從顯示面板轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝的業(yè)務(wù)部門(mén)。

根據(jù)BOE發(fā)布的2024-2032年玻璃基板路線(xiàn)圖，到2027年將實(shí)現(xiàn)深寬比20:1，細(xì)微間距8/8μm，封裝尺寸110x110mm的玻璃基板量產(chǎn)能力，到2029年將精進(jìn)到5/5μm以?xún)?nèi)、封裝尺寸在120x120mm以上的玻璃基板量產(chǎn)能力。