玻璃基板賽道火熱,誰在下注?
「玻璃基板何時(shí)可以取代 PCB 板?」
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202405/459366.htm這是半導(dǎo)體行業(yè)中許多異構(gòu)集成人士都在問的問題。不幸的是,答案并不簡(jiǎn)單。
當(dāng)國際投行大摩消息稱,英偉達(dá) GB200 采用的先進(jìn)封裝工藝將使用玻璃基板時(shí),不止半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士,所有人都開始提出了這個(gè)問題。
一時(shí)間玻璃基板,成為聚光燈下的矚目角色。國內(nèi)方面,玻璃基板概念突然大漲,玻璃基板的龍頭股 5 天翻倍。
在回答這個(gè)問題之前,我們先回顧一下基板演變史。換句話說,我們是如何走到玻璃基板成為討論話題的地步的?
什么是玻璃基板?
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。封裝基板在芯片制造過程中,可以為芯片提供支撐、散熱、供電連接等一系列功能,可以說是芯片封裝的載體。
先進(jìn)封裝基板占封裝總材料成本的比例超過了 70%,可以看出其重要性。
如果我們把時(shí)間線拉長(zhǎng),會(huì)發(fā)現(xiàn)基板材料一直在變化,從最早期的使用引線框架或金屬,到 2000 年左右開始使用陶瓷,再到之后變?yōu)榱擞袡C(jī)基板。
有機(jī)基板本質(zhì)上是由類似 PCB 的材料與玻璃編織層壓板層壓而成,允許相當(dāng)多的信號(hào)通過芯片,包括基本的芯片設(shè)計(jì),如英特爾的移動(dòng)處理器以及 AMD 基于 Zen 的處理器。
在 2010 年,今天我們討論的玻璃基板被佐治亞理工學(xué)院提出為下一個(gè)大熱點(diǎn)。在當(dāng)時(shí)還不太現(xiàn)實(shí),但現(xiàn)在無可否認(rèn)很多公司都開始相信玻璃會(huì)成為下一代用于基板的材料。
這是為什么?
因?yàn)橛袡C(jī)基板已經(jīng)成為高性能芯片的限制因素。過去十年中,超高密度互連接口的興起,開始出現(xiàn)硅中介層(基板上的晶圓上的芯片)及其衍生物,還有臺(tái)積電 CoWoS 技術(shù)和英特爾的 EMIB 技術(shù)。但成本相當(dāng)高,而且無法完全解決有機(jī)基板的缺點(diǎn)。
玻璃基板的優(yōu)點(diǎn)非常突出:
第一,玻璃基板的主要成分是二氧化硅,在高溫下更穩(wěn)定。這就使得玻璃基板能夠更有效地應(yīng)對(duì)高溫,并且管理高性能芯片的散熱。這就為芯片帶來了卓越的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。
第二,相較于傳統(tǒng)的塑膠基板,玻璃基板更加平坦,這使得封裝和光刻變得更容易。數(shù)據(jù)上看,玻璃基板可將圖案畸變減少 50%,從而提高光刻的聚焦深度,進(jìn)而確保半導(dǎo)體制造更加精密和準(zhǔn)確。
第三,由于這些獨(dú)特的特性,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)路由非常重要,這就可以在封裝中連接更多的晶體管。玻璃基板上的互連密度可以提高 10 倍。
這三點(diǎn)解決了當(dāng)前先進(jìn)封裝的難題,適合需要集成更多的晶體管和對(duì)耐熱、抗彎曲要求更高的 HPC、AI 領(lǐng)域的芯片。
尤其是,在半導(dǎo)體行業(yè)正在轉(zhuǎn)向小芯片(Chiplet)技術(shù),即將多個(gè)芯片集成到一個(gè)封裝中的技術(shù),玻璃基板也將大顯身手。
這就是玻璃基板被討論的地方。
簡(jiǎn)單來講,玻璃基板就是用玻璃代替有機(jī) PCB 類材料。當(dāng)然,這并不意味著用玻璃代替整個(gè)基板,而是基板核心的材料將由玻璃制成。同時(shí),金屬再分布層 (RDL) 仍將存在于芯片的兩側(cè),為各種焊盤和焊點(diǎn)之間提供實(shí)際通路。
玻璃基板可以量產(chǎn)了嗎?
前文提到,最近玻璃基板概念被炒的火熱,甚至有消息稱英偉達(dá) GB200 采用的先進(jìn)封裝工藝或?qū)⑹褂貌AЩ?。這就帶來一個(gè)問題,玻璃基板可以量產(chǎn)了嗎?
尋找這個(gè)問題的答案很簡(jiǎn)單,我們直接看看該領(lǐng)域的領(lǐng)先者能否量產(chǎn)就可以回答了。這個(gè)領(lǐng)域中,研究最早的企業(yè)是英特爾,大概在十年前就開始布局。目前已經(jīng)在亞利桑那州錢德勒的一家工廠(生產(chǎn) EMIB 的工廠)建立了一條玻璃基板完全集成的研發(fā)生產(chǎn)線。前后關(guān)于玻璃基板的研發(fā)投資超過了 10 億美元。
英特爾裝配和測(cè)試技術(shù)開發(fā)工廠的玻璃基板測(cè)試單元。
英特爾對(duì)于玻璃基板的產(chǎn)品推出計(jì)劃是在 2030 年。在英特爾的聲明中說到:有望在本十年后半段向市場(chǎng)提供完整的玻璃基板解決方案,使該行業(yè)能夠在 2030 年之后繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律。
一言蔽之,該領(lǐng)域最領(lǐng)先的龍頭,目前的玻璃基板也尚無法量產(chǎn)。
記者在查閱大摩報(bào)告中,文中也并未提及 GB200 會(huì)使用玻璃基板的消息,報(bào)告僅表示「看到了玻璃基板被廣泛使用于 GPU 的機(jī)會(huì)」。也就是說,這并不意味著半導(dǎo)體用玻璃基板封裝已經(jīng)可正式量產(chǎn)使用。
對(duì)于近期的玻璃基板概念熱度,不少上市公司紛紛回應(yīng)關(guān)于玻璃基板技術(shù)的布局情況。
股價(jià)暴漲雷曼光電公告,公司經(jīng)自查,外部信息中的玻璃基板封裝技術(shù),是指用玻璃基載板替代傳統(tǒng)有機(jī)聚合物載板進(jìn)行半導(dǎo)體芯片封裝,屬于半導(dǎo)體芯片封裝領(lǐng)域的應(yīng)用,公司的新型 PM 驅(qū)動(dòng)玻璃基封裝技術(shù)主要用于 Micro LED 顯示面板封裝,不能用于半導(dǎo)體芯片封裝。
沃格光電表示:「近日,據(jù)相關(guān)媒體信息,公司被列入玻璃基板概念股,經(jīng)公司自查,公司玻璃基 TGV 產(chǎn)品目前不具備量產(chǎn)能力,未形成營業(yè)收入,請(qǐng)投資者理性投資,注意概念炒作風(fēng)險(xiǎn)?!?/span>
作為封裝基板龍頭供應(yīng)商深南電路表示,玻璃基板與 PCB、有機(jī)封裝基板在材料特性、生產(chǎn)工藝方面均存在差異,在各自的應(yīng)用領(lǐng)域具有不同特征。公司對(duì)玻璃基板技術(shù)保持密切關(guān)注與研究,目前不涉及玻璃基板的生產(chǎn)。
實(shí)際上,目前國內(nèi)的玻璃基板更多的是指應(yīng)用于 Mini/Micro LED 上,而不是半導(dǎo)體集成電路芯片封裝領(lǐng)域。
玻璃基板,誰在布局?
面板形式的玻璃基板
盡管國內(nèi)的「此玻璃基板」,非英特爾所指的「彼玻璃基板」,但不可否認(rèn)的是,在半導(dǎo)體領(lǐng)域玻璃基板的確是下一代基板的候選者。
根據(jù) MarketsandMarkets 最近的研究,全球玻璃基板市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2023 年的 71 億美元增長(zhǎng)到 2028 年的 84 億美元,2023 年至 2028 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 3.5%。在 AI 的大勢(shì)之下,目前,已有包括英特爾、AMD、三星等多家大廠公開表示入局玻璃基板封裝。
在美國通過的《芯片法案》中,宣布資助半導(dǎo)體玻璃封裝的研發(fā)和生產(chǎn)。并且已經(jīng)出資 7500 萬美元,投資 SK 集團(tuán)旗下的 Absolics 和 SK 海力士。Absolics 官網(wǎng)顯示,Absolics 玻璃基板為 HPC 相關(guān)封裝公司、數(shù)據(jù)中心、AI 等提供高性能/低功耗/外形尺寸等差異化價(jià)值。應(yīng)用材料公司也已向 Absolics 投資約 4000 萬美元。
三星自然無法眼睜睜看著英特爾玻璃基板業(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(tuán)子公司三星電機(jī)宣布與三星電子和三星顯示器組建聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)(R&D),三星電子預(yù)計(jì)將專注于半導(dǎo)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(shí)間內(nèi)開發(fā)玻璃基板并將其商業(yè)化。
此外,LG Innotek 的一位高管也表示,LG Innotek 正在考慮開發(fā)用于芯片封裝的玻璃基板。其總經(jīng)理 Jaeman Park 認(rèn)為,玻璃很可能成為未來半導(dǎo)體封裝基板的主要成分。
同時(shí),據(jù)市場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持峰值性能。
日本方面也在開始關(guān)注這項(xiàng)新興技術(shù)。日本印刷(DNP)去年 3 月宣布成功開發(fā) TGV 玻璃核心基板。報(bào)道里稱,該基板用玻璃基板取代了 FC-BGA 等傳統(tǒng)樹脂基板,提供了比基于現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體封裝性能更高的半導(dǎo)體封裝。
DNP 提出了在 2027 年大規(guī)模量產(chǎn) TGV 玻璃芯基板的目標(biāo)。DNP 預(yù)計(jì)英特爾等公司將采用該技術(shù),并估計(jì)到 2030 財(cái)年,用于半導(dǎo)體封裝的基板產(chǎn)生的收入可能達(dá)到 300 億日元(2 億美元)。
存在很多挑戰(zhàn)
目前玻璃基板還存在很多問題沒有解決。
英特爾基板 TD 模塊工程研究員兼總監(jiān) Rahul Manepalli 表示:「玻璃是一種獲得與硅中介層非常相似的互連密度的手段。玻璃基板可以實(shí)現(xiàn)這種功能,但它也帶來了非常具有挑戰(zhàn)性的集成和接口工程問題,我們必須解決這些問題?!?/span>
這些種種挑戰(zhàn),諸如玻璃基板的易碎性、與金屬缺乏粘合性以及難以實(shí)現(xiàn)均勻的通孔填充。而且玻璃具有高透明度,與硅的不同反射率讓檢查和測(cè)量也成為一個(gè)需要解決的問題。具體來說,依靠反射率來測(cè)量距離和深度的光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)必須適應(yīng)玻璃的半透明度,這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真或丟失,從而影響測(cè)量精度。
此外,玻璃基板的普及中缺乏可靠性數(shù)據(jù)也是一個(gè)絆腳石。玻璃基板是半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的新進(jìn)入者,與 FR4、聚酰亞胺或味之素積層膜 (ABF) 等傳統(tǒng)材料相比,長(zhǎng)期可靠性信息相對(duì)匱乏,需要數(shù)十年的數(shù)據(jù)來建立標(biāo)準(zhǔn)、性能指標(biāo)和預(yù)期壽命。
玻璃基板的可靠性數(shù)據(jù)涵蓋多種因素,包括機(jī)械強(qiáng)度、耐熱循環(huán)性、吸濕性、介電擊穿和應(yīng)力引起的分層。這些特性中的每一個(gè)都會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,尤其是在極端或多變的條件下。
總體來看,玻璃基板封裝確實(shí)已是公認(rèn)的「下一代技術(shù)」,但目前用于半導(dǎo)體的玻璃基板封裝產(chǎn)業(yè)仍處于剛剛萌芽階段,玻璃基板何時(shí)會(huì)開始真正占領(lǐng)市場(chǎng)、會(huì)否取代有機(jī)基板、產(chǎn)業(yè)鏈誰將出頭都仍是未知。
評(píng)論