玻璃基板正成為巨頭們爭奪的新熱點。

據(jù)悉，蘋果正積極參與下一代芯片開發(fā)領(lǐng)域，即由玻璃基板制成的PCB，這一方式提供新的芯片安裝及封裝方式，提供更好的散熱性能，使處理器以最優(yōu)功率運行更長時間。

目前英特爾在這領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，三星也正研究這項技術(shù)，蘋果正與幾家供應(yīng)商進行討論，以制定在電子設(shè)備中采用玻璃基板的戰(zhàn)略，預(yù)期三星可能是其中之一。三星集團子公司將合作投資玻璃核心基板（GCS）研發(fā)，以加快商業(yè)化進程，目標是與處于領(lǐng)先地位的英特爾競爭。

隨著芯片微縮將面臨物理極限，業(yè)界人士認為，新材料是保持發(fā)展速度的關(guān)鍵，但玻璃基板也面臨整合和界面工程問題。部分挑戰(zhàn)包括易碎性、缺乏與金屬線的黏合力，以及難實現(xiàn)均勻的通孔填充，這對穩(wěn)定電氣性能至關(guān)重要。此外，玻璃基板具有高透明度和不同反射系數(shù)，為檢測和測量帶來挑戰(zhàn)。


1、封裝基板，迎來新革命

那么，玻璃基板究竟有什么優(yōu)勢，能引得多家大廠悉數(shù)前來？

有業(yè)內(nèi)人士指出，隨著對更強大計算的需求增加，半導(dǎo)體電路變得越來越復(fù)雜，信號傳輸速度、功率傳輸、設(shè)計規(guī)則和封裝基板穩(wěn)定性的改進將至關(guān)重要。

在此趨勢下，塑料基板（有機材料基板）很快就會達到容納的極限，特別是它們的粗糙表面，會對超精細電路的固有性能產(chǎn)生負面影響；此外，有機材料在芯片制造過程中可能會發(fā)生收縮或翹曲，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生缺陷。隨著更多的硅芯片被封裝在塑料基板上，翹曲的風(fēng)險也會增加。

因此，半導(dǎo)體行業(yè)需要一款新型的基板。

作為新型方案，玻璃基板有比塑料基板更光滑的表面，同樣面積下，開孔數(shù)量要比在有機材料上多得多。據(jù)悉，玻璃芯通孔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。互連密度的提升能容納的更多數(shù)量的晶體管，從而實現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計和更有效地利用空間；

同時，玻璃基板在熱學(xué)性能、物理穩(wěn)定度方面表現(xiàn)都更出色，更耐熱，不容易因為溫度高而產(chǎn)生翹曲或變形的問題；

此外，玻璃芯獨特的電氣性能，使其介電損耗更低，允許更加清晰的信號和電力傳輸。這樣一來，信號傳輸過程中的功率損耗就會降低，芯片整體的效率也就自然而然被提上去了。與ABF塑料相比，玻璃芯基板的厚度可以減少一半左右，減薄可以提高信號傳輸速度和功率效率。

綜合來講，玻璃芯基板可顯著改善電氣、機械性能和熱穩(wěn)定性，突破現(xiàn)有傳統(tǒng)基板限制。有專家表示，預(yù)計首批采用玻璃基板的產(chǎn)品將是高端高性能計算和人工智能芯片，這些產(chǎn)品是目前使用有機基板最吃力的產(chǎn)品。

而回顧基板的演進歷程可以發(fā)現(xiàn)，封裝基板在過去幾十年來已經(jīng)經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)變。

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。最早的芯片封裝，如雙列直插式封裝，使用框架來固定硅芯片和提供信號路徑。

自上世紀70年代以來，基板設(shè)計不斷演變，包括金屬框架、陶瓷芯片和有機封裝。

不難發(fā)現(xiàn)，每次迭代的基板都比上一次具有更好的性能，從而可以更輕松地將大量信號和電源引腳布線到日益復(fù)雜的芯片上。

雖然現(xiàn)在仍會看到引線框架和陶瓷芯片，但有機基板在過去幾十年中一直是該行業(yè)的支柱。

值得注意的是，英特爾在實現(xiàn)用于下一代封裝的技術(shù)創(chuàng)新方面有著悠久的歷史和經(jīng)驗積累。早在20世紀90年代，英特爾引領(lǐng)了業(yè)界從陶瓷封裝向有機封裝的過渡，也是第一個實現(xiàn)鹵素和無鉛封裝的公司，并發(fā)明了先進的嵌入式芯片封裝技術(shù)和業(yè)界領(lǐng)先的主動式3D封裝技術(shù)。

如今，隨著有機基板逐漸達到能力極限。英特爾又開始率先在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，這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。

按照英特爾所說，在過去的十多年來里，公司一直在研究和評估玻璃基板作為有機基板替代品的可靠性。


2、行業(yè)玩家，競逐玻璃基板賽道

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開發(fā)的最先進處理器，計劃于2026~2030年量產(chǎn)。

英特爾表示，玻璃基板具有卓越的機械、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%的裸片，從而可以塞進更多的Chiplet。憑借單一封裝納入更多晶體管，預(yù)計將實現(xiàn)更強大的算力。

同時，為了彌合機械和電氣之間的差距，英特爾能夠在玻璃通孔（TGV）上實現(xiàn)更緊密的間距，將TGV的間距控制在100μm以內(nèi)，從而允許整體上有更多數(shù)量的通孔，將TGV密度提高10倍。所有這些最終使得通過基板核心路由信號變得更加靈活，并且在某種程度上使得使用更少的RDL層路由信號變得更加容易。

英特爾稱該成果將重新定義芯片封裝的邊界，能夠為數(shù)據(jù)中心、人工智能和圖形構(gòu)建提供改變游戲規(guī)則的解決方案，推動摩爾定律進步。

值得一提的是，英特爾認為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。

眾所周知，英特爾一直致力于推動Chiplet的發(fā)展，并且拉動一批頭部大廠組成UCIe聯(lián)盟，旨在降低小芯片先進封裝技術(shù)的設(shè)計成本，實現(xiàn)小芯片之間的互聯(lián)制定統(tǒng)一。這次搶跑玻璃基板工藝，其背后大概也有引領(lǐng)行業(yè)標準的“私心”。

英特爾表示，針對玻璃基板方面的相關(guān)研究工作可以追溯到十年前，并且已經(jīng)在美國亞利桑那州投資超過10億美元，用于建設(shè)研發(fā)產(chǎn)線。

英特爾在業(yè)界率先推出用于先進封裝的玻璃基板，一方面延續(xù)了近期PowerVia和RibbonFET等技術(shù)突破的良好勢頭，展現(xiàn)了英特爾對Intel 18A制程節(jié)點之后的下一個計算時代的預(yù)先關(guān)注和展望。

另一方面，這或許也是英特爾從封裝測試下手，應(yīng)對臺積電新策略。

目前，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，而包括玻璃基板在內(nèi)的先進封裝技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新將有助于實現(xiàn)這一目標。

而就在近日，據(jù)韓媒sedaily報道，三星已經(jīng)成立了專門的團隊，研發(fā)“玻璃基板”技術(shù)。

三星集團子公司三星電機宣布與三星電子和三星顯示器等主要電子子公司建立聯(lián)合研發(fā)（R&D）統(tǒng)一戰(zhàn)線，研發(fā)玻璃基板，并將在2026年開始大規(guī)模量產(chǎn)，旨在比十年前進入玻璃基板研發(fā)的英特爾更快地實現(xiàn)商業(yè)化。

組建“軍團”加碼研發(fā)，這足以見得三星集團對玻璃基板的重視。

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。當前，在先進工藝領(lǐng)域臺積電依舊領(lǐng)先，而在先進封裝領(lǐng)域臺積電CoWoS實力雄厚，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”。

至于臺積電的“隱忍”，有行業(yè)專家表示，臺積電雖還沒有相關(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。

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 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)的問題時表示：“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。當然，我們正在為此做準備?！?/span>

日本DNP展示了半導(dǎo)體封裝的一項新開發(fā)成果——玻璃芯載板 (GCS：Glass Core Substrate)，據(jù)稱可以解決ABF帶來的許多問題，準備在2027年量產(chǎn)。

DNP聲稱，其具有玻璃芯的HDI載板與基于有機樹脂的載板相比具有更優(yōu)越的性能。據(jù)介紹，使用玻璃芯載板 (GCS) 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展示的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。

要說最早入局玻璃基板的，還得是韓國SK集團旗下的Absolics。Absolics 2021年在世界上首次開發(fā)的“高性能計算（HPC）用玻璃基板”指定為新的增長動力。去年，Absolics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看好玻璃帶來的機會，將其視為半導(dǎo)體封裝的改革者。

Absolics表示，隨著微處理的性能提升已達到極限，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。

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(dǎo)體封裝用玻璃芯基板技術(shù)的探索階段。

另外，玻璃大廠康寧也看好玻璃在載板中的機會。他們認為，玻璃的諸多特性優(yōu)勢是應(yīng)對傳統(tǒng)封裝材料挑戰(zhàn)的絕佳解決方案?？祵幑菊诜e極探索400G及以上的集成光學(xué)解決方案，集成電光玻璃基板將被應(yīng)用于CPO工藝中。

有業(yè)內(nèi)人士指出，從行業(yè)整體來看，目前國外廠商對于玻璃基板的布局份額處于領(lǐng)先地位，包括美國康寧、美國申泰、日本泰庫尼思科和KISO WAVE等。而國內(nèi)方面，沃格光電、廈門云天半導(dǎo)體等企業(yè)也取得不同程度進展。

需要注意的是，目前國內(nèi)與國外的差距更多是體現(xiàn)在裝備方面，相關(guān)裝備被美日德壟斷，國產(chǎn)替代道阻且長。畢竟裝備方面的追趕不是一朝一夕的，但是從工藝技術(shù)角度開發(fā)角度來看，國產(chǎn)廠商或存在彎道超車的可能。


3、“玻璃基板”市場點燃之后，生態(tài)是重中之重

目前，盡管玻璃基板和TGV應(yīng)用市場尚未大規(guī)模啟用，但許多半導(dǎo)體廠商已開始競相入局玻璃基板和TGV領(lǐng)域，積極參與構(gòu)建相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)。

縱觀行業(yè)格局，目前全球TGV市場份額高度集中，核心技術(shù)、高端產(chǎn)品仍掌握著國外先進企業(yè)中。據(jù)News Channel Nebraska Central 2022年數(shù)據(jù)顯示，美國是最大的TGV晶圓市場，擁有約46%的市場份額。歐洲緊隨其后，約占25%的市場份額。在TGV晶圓市場的主要參與者中，全球前五名廠商占有率超過70%。

而國內(nèi)玻璃晶圓產(chǎn)能增長趨勢也較為顯著。預(yù)計在2024年至2026年期間，國內(nèi)將擁有超過160萬片/月的設(shè)計產(chǎn)能。

近兩年，一些國內(nèi)公司正在為先進封裝而設(shè)計的TGV產(chǎn)品進入送樣到試量產(chǎn)的階段。例如，上文提到的沃格光電和云天半導(dǎo)體。

沃格光電是國內(nèi)玻璃基板領(lǐng)先企業(yè)，是國內(nèi)少數(shù)掌握TGV技術(shù)的廠家之一，具備行業(yè)領(lǐng)先的玻璃薄化、TGV、濺射銅以及微電路圖形化技術(shù)，擁有玻璃基巨量微米級通孔的能力，最小孔徑可至10μm，厚度最薄50μm，線寬線距小至8μm。

廈門云天半導(dǎo)體也成功開發(fā)了先進TGV激光刻蝕技術(shù)，面向應(yīng)用MEMS、Fluidic、PCR、Inkjet、CPO?；诓ＡС煽桌碚撗芯亢凸こ虒嵺`，可以在50-500μm厚的玻璃上形成孔徑7μm的玻璃通孔/盲孔，具有較好的表面和孔內(nèi)粗糙度、孔型圓度。

此外，包括賽微電子、成都邁科、三疊紀、五方光電、帝爾激光、蘇州甫一電子、藍特光學(xué)、蘇州森丸電子等在內(nèi)的國內(nèi)廠商也在玻璃基板和TGV領(lǐng)域展開深入研究，并取得一定的成果和突破。

這表明了國內(nèi)在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新，以及對玻璃基板技術(shù)的積極探索和應(yīng)用。隨著這些技術(shù)的成熟和應(yīng)用的推進，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有望在未來取得更大的發(fā)展成果，并在全球市場上發(fā)揮更加重要的作用。

值得注意的是，玻璃基板產(chǎn)業(yè)需要走合作路線，不是一個“單打獨斗”就能勝出的投入。

英特爾與著名玻璃加工公司LPKF和德國玻璃公司Schott合作，致力于玻璃基板的商業(yè)化。還與賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了一項全國性的努力，有十多所著名大學(xué)和材料、零部件和設(shè)備公司在玻璃基板研究方面進行合作。

而三星組建的半導(dǎo)體玻璃基板研發(fā)聯(lián)盟，也是三星電機首次與三星電子和三星顯示器等電子元件子公司一起進行玻璃基板研究。有分析稱，三星電子預(yù)計將掌握半導(dǎo)體和基板相結(jié)合的專業(yè)知識，而三星顯示器預(yù)計將承擔玻璃加工等角色，預(yù)計三星電機將通過與聯(lián)盟最大限度地發(fā)揮研發(fā)協(xié)同效應(yīng)，但玻璃基板生態(tài)系統(tǒng)將如何發(fā)展還有待觀察。

英特爾、三星等掀起玻璃基板浪潮，促使整個供應(yīng)鏈也積極努力，頭部廠商的入局肯定能加速技術(shù)實現(xiàn)的進程。但這需要所有的供應(yīng)鏈廠商合力，才能逐步克服相關(guān)的挑戰(zhàn)。

作為國內(nèi)玻璃基板行業(yè)的佼佼者，沃格集團副總裁，研究院院長張迅也向筆者表示，每個行業(yè)建設(shè)商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)都需企業(yè)結(jié)伴同行。比如在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，最需要的是資金。對于創(chuàng)業(yè)者而言，需要對自己的技術(shù)有信念，勇于推銷自己的產(chǎn)品，吸引政府或頭部公司對新型技術(shù)投入資源。另外，需要各家公司聯(lián)合起來，制定行業(yè)標準，規(guī)范生產(chǎn)過程，簡化開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，增強質(zhì)量保證，便于下游企業(yè)的使用。

總的來說，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。

從當前行業(yè)進展來看，封裝基板要過渡到玻璃基板，預(yù)計還需要一些時間。


結(jié)語

綜合來看，具有更密集布線和更高信號性能的玻璃基板，在先進封裝中受到關(guān)注。

雖然仍存在諸多挑戰(zhàn)，如堆積、應(yīng)力和處理問題，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)，其潛在優(yōu)勢讓這些挑戰(zhàn)和復(fù)雜性變得黯然失色。

隨著對更緊湊和復(fù)雜設(shè)備的需求日益增長，玻璃基板或?qū)⒃谖磥戆l(fā)揮重要作用。

從行業(yè)進展來看，英特爾深潛十年、SK已在美國建廠并準備量產(chǎn)，日本企業(yè)DNP也在加快事業(yè)的步伐。最近，三星、LG也正式進軍，加上國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的積極布局，點燃了“玻璃基板”市場的新競爭。

雖然英玻璃基板的出現(xiàn)讓大家感到震撼，但從業(yè)界的步伐看來，這個技術(shù)離量產(chǎn)還有一段時間。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，技術(shù)成本、良率等都是廠商需要解決的問題。

張迅坦言：“每項技術(shù)的落地都需要天時、地利、人和。但就目前市場發(fā)展形式而言，越來越多的頭部公司、科研單位關(guān)注到了玻璃基板的性能優(yōu)勢，并投入到研發(fā)當中。所以我們相信隨著各家技術(shù)的創(chuàng)新更迭，距離玻璃基板的爆發(fā)已經(jīng)越來越近?！?/span>

有預(yù)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。