下一代芯片重要技術(shù) —— 玻璃基板，封裝競爭新節(jié)點？

根據(jù)最新市場消息，蘋果正積極與多家供應(yīng)商商討將玻璃基板技術(shù)應(yīng)用于芯片開發(fā)，以提供更好散熱性能，使芯片在更長時間內(nèi)保持峰值性能。同時，玻璃基板的超平整特性使其可以進行更精密的蝕刻，從而使元器件能夠更加緊密地排列在一起，提升單位面積內(nèi)的電路密度。

在“摩爾定律”（半導體芯片的晶體管密度每24個月翻一番）逐漸失效的時代，當談?wù)撔酒O(shè)計的下一步發(fā)展時，人們關(guān)注的焦點包括填充更多內(nèi)核、提高時鐘速度、縮小晶體管和3D堆疊等，很少考慮承載和連接這些組件的封裝基板。玻璃基板的應(yīng)用將為芯片技術(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。

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，整個芯片的晶體管數(shù)量就越多。自上世紀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)在最常見的是有機材料基板。

有機材料基板加工難度小，還可以高速信號傳輸，一直被視作是芯片領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。但是有機材料基板也存在一些缺點，就是其與晶片的熱膨脹系數(shù)差異過大，在高溫下，晶片和基板之間的連接容易斷開，芯片就被燒壞了。

需要通過熱節(jié)流仔細控制芯片溫度，代表芯片只能在有限時間維持最高性能，再降回較慢速度，以降低溫度。因此，有機基板的尺寸受到很大限制，在有限的尺寸下容納更多的晶體管，基板的材料選擇至關(guān)重要。

在這個背景下，玻璃基板應(yīng)運而生。相比之下，玻璃基板卓越的機械、物理和光學特性，能夠構(gòu)建更高性能的多芯片SiP，在芯片上多放置50%的Die。玻璃基板具有獨特的性能，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％，可以降低斷裂的風險，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)有機基板，玻璃基板的厚度可以減少一半左右，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。玻璃基板的特性非常適合Chiplet，由于小芯片設(shè)計對基板的信號傳輸速度、供電能力、設(shè)計和穩(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。

有機基板和玻璃基板的對比

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挑戰(zhàn)，這涉及到材料的熱膨脹系數(shù)、機械性能、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。

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。

用玻璃材料取代有機基板似乎正在成為業(yè)內(nèi)共識，或者至少是未來一個非常重要的技術(shù)路徑。從英特爾的率先入局，到三星、蘋果等企業(yè)聞風而入，隨著有機基板逐漸達到能力極限，各大科技巨頭都在使出渾身解數(shù)。

早在十年前，英特爾就開始尋找有機基板的真正替代品，一種能夠與大型芯片完美配合的基板，在亞利桑那州的CH8工廠試生產(chǎn)玻璃基板。作為封裝基板領(lǐng)域的探索引領(lǐng)者，2023年9月，英特爾推出基于下一代先進封裝的玻璃基板展示了一款功能齊全的測試芯片，計劃于2030年開始批量生產(chǎn)，該芯片使用75微米的玻璃通孔，縱橫比為20:1，核心厚度為1毫米。

英特爾的新技術(shù)不僅僅停留在玻璃基板的層面，還引入了Foveros Direct（一種具有直接銅對銅鍵合功能的高級封裝技術(shù)），為可共同封裝光學元件技術(shù)（CPO）通過玻璃基板設(shè)計利用光學傳輸?shù)姆绞皆黾有盘?，并?lián)合康寧通過CPO工藝集成電光玻璃基板探索400G及以上的集成光學解決方案。

英特爾與設(shè)備材料合作伙伴展開了密切合作，與玻璃加工廠LPKF和德國玻基公司Schott共同致力于玻璃基板的產(chǎn)品化。另外，英特爾還帶頭組建了一個生態(tài)系統(tǒng)，已經(jīng)擁有大多數(shù)主要的EDA和IP供應(yīng)商、云服務(wù)提供商和IC設(shè)計服務(wù)提供商?！艾F(xiàn)在是齊心協(xié)力實現(xiàn)封裝領(lǐng)域下一次轉(zhuǎn)型的時候了?！庇⑻貭柋硎尽?/p>

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年在單個封裝上集成1萬億個晶體管的目標前進，玻璃基板將是推動這一目標落地的強有力支持。

三星自然無法直視英特爾玻璃基板業(yè)務(wù)上鶴立雞群，終于在今年宣告了加速玻璃基板芯片封裝研發(fā)。2024年3月，三星集團子公司三星電機宣布與三星電子和三星顯示器組建聯(lián)合研發(fā)團隊（R&D），三星電子預計將專注于半導體和基板的集成，而三星顯示器將處理與玻璃加工相關(guān)的方面，以在盡可能短的時間內(nèi)開發(fā)玻璃基板并將其商業(yè)化。

三星電機的玻璃基板

成立“新軍團”加碼研發(fā)，這足以見得三星對玻璃基板的重視。事實上，三星電機已在CES上就宣布計劃于2025年生產(chǎn)樣品、2026年大規(guī)模生產(chǎn)玻璃基板，比英特爾更快地實現(xiàn)商業(yè)化。而在這項技術(shù)領(lǐng)域中，除了英特爾和三星，已有多個強勁對手入局。

· 3月25日，LG Innotek也宣布入局玻璃基板的開發(fā)，將半導體基板做到第一是他們的業(yè)務(wù)目標。在回答有關(guān)發(fā)展半導體玻璃基板業(yè)務(wù)的問題時，其CEO表示：“我們半導體基板的主要客戶是美國一家大型半導體公司，該公司對玻璃基板表現(xiàn)出極大的興趣。當然，我們正在為此做準備?！?/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現(xiàn)更精細的間距，因此可以實現(xiàn)極其密集的布線，因為它更硬并且不易因高溫而膨脹。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。

· 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新業(yè)務(wù)研發(fā)。據(jù)知情人士透露，當前Ibiden正處于半導體封裝用玻璃芯基板技術(shù)的探索階段。

· SK集團旗下的Absolics，去年又投資了6億美元，計劃在喬治亞州科文頓建一座月產(chǎn)能達4000塊的玻璃基板工廠。Absolics表示隨著微處理的性能提升已達到極限，半導體行業(yè)正在積極利用異構(gòu)封裝，但現(xiàn)有的半導體載板必須通過稱為硅中介層的中間載板連接到半導體芯片，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。

當前，在先進工藝領(lǐng)域臺積電依舊領(lǐng)先，臺積電CoWoS擁有較高的專利壁壘。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，除在工藝層面加緊布局之外，先進封裝領(lǐng)域也需要尋求新的路徑實現(xiàn)追趕甚至超越，而玻璃基板成為一個最佳的“跳板”，雖然不能在最高級別取代CoWoS/EMIB的需求，但可以提供比當前有機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機成熟，將會大幅加碼。

AI高算力需求成為引爆點

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算（基于光電子的計算和射頻、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)光模塊將導致成本翻倍和額外的20%-25%功耗。共同封裝光學技術(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50%，成為滿足AI高算力需求的高效能比解決方案。

值得注意的是，從當前行業(yè)進展來看，封裝基板要過渡到玻璃基板，預計還需要一些時間。玻璃芯基板的良性發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游建立一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，從材料端層層向下到制程端、設(shè)備端等都需要革新；材料選擇、制程工藝的選擇、自動化傳輸、結(jié)構(gòu)堆棧的設(shè)計這些都會影響最后的良率，供應(yīng)鏈需進行一番整合，才有辦法達成量產(chǎn)的可能性。

在短時間內(nèi)，芯片基板市場的主流還依舊會是有機材料，畢竟技術(shù)迭代完成商業(yè)化轉(zhuǎn)身也需要一個過渡時期，但可以肯定的是，有機材料在芯片基板舞臺上的重要性會逐漸被玻璃取代，玻璃和有機基板將在未來幾年共存。有預測稱，一旦實現(xiàn)玻璃基板的規(guī)模商業(yè)化，其將成為基板行業(yè)新的游戲規(guī)則改變者。