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編輯：感知芯視界 Link

根據(jù)最新市場(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。同時(shí)，玻璃基板的超平整特性使其可以進(jìn)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(dǎo)體芯片的晶體管密度每24個(gè)月翻一番）逐漸失效的時(shí)代，當(dāng)談?wù)撔酒O(shè)計(jì)的下一步發(fā)展時(shí)，人們關(guān)注的焦點(diǎn)包括填充更多內(nèi)核、提高時(shí)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(lái)革命性的突破，并可能成為未來(lái)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(lái)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(gè)芯片的晶體管數(shù)量就越多。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，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(jī)材料基板。

有機(jī)材料基板加工難度小，還可以高速信號(hào)傳輸，一直被視作是芯片領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。但是有機(jī)材料基板也存在一些缺點(diǎn)，就是其與晶片的熱膨脹系數(shù)差異過(guò)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(guò)熱節(jié)流仔細(xì)控制芯片溫度，代表芯片只能在有限時(shí)間維持最高性能，再降回較慢速度，以降低溫度。因此，有機(jī)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(gè)背景下，玻璃基板應(yīng)運(yùn)而生。玻璃基板具有卓越的機(jī)械、物理和光學(xué)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。相比之下，玻璃基板具有獨(dú)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(jī)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(jī)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(fēng)險(xiǎn)，增加芯片的可靠性。這些優(yōu)勢(shì)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(jī)基板，玻璃芯基板的厚度可以減少一半左右，玻璃基板不僅功耗更低，而且信號(hào)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(lái)速度和功耗優(yōu)勢(shì)。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(shí)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(wèn)題，也為制造過(guò)程帶來(lái)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(gè)挑戰(zhàn)，這涉及到材料的熱膨脹系數(shù)、機(jī)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(wèn)題。

玻璃基板的特性非常適合Chiplet，由于小芯片設(shè)計(jì)對(duì)基板的信號(hào)傳輸速度、供電能力、設(shè)計(jì)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。

另與硅相比，玻璃的高透明度和不同反射系數(shù)也為檢測(cè)和測(cè)量帶來(lái)了難度。許多適用于不透明或半透明材料的測(cè)量技術(shù)在玻璃上都不太有效，可能導(dǎo)致訊號(hào)失真或丟失，影響測(cè)量精度。更重要的是，玻璃基板需要建立一個(gè)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(wú)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(jī)基板似乎正在成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，或者至少是未來(lái)一個(gè)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(fēng)而入，隨著有機(jī)基板逐漸達(dá)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(jī)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(jìn)封裝的玻璃基板展示了一款功能齊全的測(cè)試芯片，計(jì)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(duì)銅鍵合功能的高級(jí)封裝技術(shù)），為可共同封裝光學(xué)元件技術(shù)（CPO）通過(guò)玻璃基板設(shè)計(jì)利用光學(xué)傳輸?shù)姆绞皆黾有盘?hào)，并聯(lián)合康寧通過(guò)CPO工藝集成電光玻璃基板探索400G及以上的集成光學(xué)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(guó)?；?a target="_blank">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(gè)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(jì)服務(wù)提供商?！艾F(xiàn)在是齊心協(xié)力實(shí)現(xiàn)封裝領(lǐng)域下一次轉(zhuǎn)型的時(shí)候了?！庇⑻貭柋硎?。

玻璃基板可為英特爾帶來(lái)巨大的競(jìng)爭(zhēng)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(gè)封裝上集成1萬(wàn)億個(gè)晶體管的目標(biāo)前進(jìn)，玻璃基板將是推動(dòng)這一目標(biāo)落地的強(qiáng)有力支持。

三星自然無(wú)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(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。

成立“新軍團(tuán)”加碼研發(fā)，這足以見得三星對(duì)玻璃基板的重視。事實(shí)上，三星電機(jī)已在CES上就宣布計(jì)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化。而在這項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域中，除了英特爾和三星，已有多個(gè)強(qiáng)勁對(duì)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(dǎo)體基板做到第一是他們的業(yè)務(wù)目標(biāo)。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)，其CEO表示：“我們半導(dǎo)體基板的主要客戶是美國(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?！?/p>

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(xì)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(shí)現(xiàn)更精細(xì)的間距，因此可以實(shí)現(xiàn)極其密集的布線，因?yàn)樗膊⑶也灰滓蚋邷囟蛎?。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(biāo)。

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)。據(jù)知情人士透露，當(dāng)前Ibiden正處于半導(dǎo)體封裝用玻璃芯基板技術(shù)的探索階段。

SK集團(tuán)旗下的Absolics，去年又投資了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。Absolics表示隨著微處理的性能提升已達(dá)到極限，半導(dǎo)體行業(yè)正在積極利用異構(gòu)封裝，但現(xiàn)有的半導(dǎo)體載板必須通過(guò)稱為硅中介層的中間載板連接到半導(dǎo)體芯片，而內(nèi)置無(wú)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。

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，而玻璃基板成為一個(gè)最佳的“跳板”，雖然不能在最高級(jí)別取代CoWoS/EMIB的需求，但可以提供比當(dāng)前有機(jī)基板更好的信號(hào)性能和更密集的布線。

有行業(yè)專家表示，臺(tái)積電對(duì)玻璃基板雖然還沒(méi)有相關(guān)動(dòng)作，但應(yīng)該也在密切關(guān)注。臺(tái)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(jí)迭代，以保持領(lǐng)先地位不可撼動(dòng)。而一旦臺(tái)積電覺得時(shí)機(jī)成熟，將會(huì)大幅加碼。

AI高算力需求成為引爆點(diǎn)

玻璃基板不僅是材料上的革新，更是一場(chǎng)全球性的技術(shù)競(jìng)賽。玻璃基板可能成為各國(guó)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(dǎo)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(chǔ)與大模型高性能計(jì)算（基于光電子的計(jì)算和射頻、硅光集成、高帶寬存儲(chǔ)器）、6G通信領(lǐng)域。

ChatGPT、Sora徹底引爆了人工智能，對(duì)數(shù)據(jù)中心和傳輸效率提出了更高的要求，尤其是對(duì)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(jìn)封裝平臺(tái)，AI芯片尺寸/封裝基板越來(lái)越大，玻璃基封裝被提上日程。未來(lái)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(fù)載，期望玻璃基板能夠構(gòu)建更高性能的多芯片系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）。

英偉達(dá)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(dǎo)致成本翻倍和額外的20-25%功耗。共封裝光學(xué)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(jìn)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(dá)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(dāng)前行業(yè)進(jìn)展來(lái)看，封裝基板要過(guò)渡到玻璃基板，預(yù)計(jì)還需要一些時(shí)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(gè)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(dòng)化傳輸、結(jié)構(gòu)堆棧的設(shè)計(jì)這些都會(huì)影響最后的良率，供應(yīng)鏈需進(jìn)行一番整合，才有辦法達(dá)成量產(chǎn)的可能性。

在短時(shí)間內(nèi)，芯片基板市場(chǎng)的主流還依舊會(huì)是有機(jī)材料，畢竟技術(shù)迭代完成商業(yè)化轉(zhuǎn)身也需要一個(gè)過(guò)渡時(shí)期，但可以肯定的是，有機(jī)材料在芯片基板舞臺(tái)上的重要性會(huì)逐漸被玻璃取代，玻璃和有機(jī)基板將在未來(lái)幾年共存。有預(yù)測(cè)稱，一旦實(shí)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。

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審核編輯 黃宇