为何要用玻璃基板？

2024-08-14 01:08

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自semiwiki，谢谢。

人工智能对高性能、可持续计算和网络硅片的需求无疑增加了研发投入，加快了半导体技术的创新步伐。随着摩尔定律在芯片层面的放缓，人们希望在 ASIC 封装内封装尽可能多的芯片，并在封装层面获得摩尔定律的好处。

承载多个芯片的 ASIC 封装通常由有机基板组成。有机基板由树脂（主要是玻璃增强环氧层压板）或塑料制成。根据封装技术，芯片要么直接安装在基板上，要么在它们之间有另一层硅中介层，以实现芯片之间的高速连接。有时在基板内嵌入互连桥而不是中介层来提供这种高速连接。

有机基板的问题在于它们容易出现翘曲问题，尤其是在芯片密度较高的较大封装尺寸中。这限制了封装内可封装的芯片数量。这时，玻璃基板可能会成为改变游戏规则的利器！

玻璃基板的优点：

1、它们可以做得非常平坦，从而实现更精细的图案化和更高的（10 倍）互连密度。在光刻过程中，整个基板会受到均匀曝光，从而减少缺陷。

2、玻璃具有与其上方的硅芯片相似的热膨胀系数，可降低热应力。

3、它们不会翘曲，并且可以在单个封装中处理更高的芯片密度。初始原型可以处理比有机基板高 50% 的芯片密度。

4、可以无缝集成光学互连，从而产生更高效的共封装光学器件。

5、这些通常是矩形晶圆，可增加每个晶圆上的芯片数量，从而提高产量并降低成本。

玻璃作为一种材料，已在多个半导体行业得到广泛研究和集成。它代表了先进封装材料选择的重大进步，与有机和陶瓷材料相比具有多项优势。与多年来一直是主流技术的有机基板不同，玻璃具有出色的尺寸稳定性、热导率和电气性能。

然而，尽管有潜在的好处，但与任何新技术一样，玻璃芯基板也面临着一系列挑战，不仅对于基板制造商如此，对于设备、材料和检测工具供应商也同样如此。

尽管存在这些挑战，但玻璃芯基板的采用仍受到几个关键因素的推动。对更大基板和外形尺寸的需求，加上芯片和异构集成的技术趋势，正在推动行业将玻璃作为一种潜在的解决方案。此外，一旦该技术成熟并得到广泛采用，玻璃的潜在成本效益将使其成为高性能计算 (HPC) 和数据中心市场的有吸引力的选择。

自去年 9 月以来，英特尔在支持玻璃芯基板方面的开创性努力为全行业采用奠定了基础。经过十年的研发努力和投入，以及 600 项与 GCS 相关的专利，英特尔宣布计划选择玻璃基板，为行业提供了指导和方向，鼓励其他参与者探索这项前景广阔的技术。仅仅几个月后，三星进入玻璃基板生产领域，标志着这项新兴技术历史上的又一个里程碑，凸显了英特尔举措的影响，人们对这项技术的兴趣和投资日益增长。在英特尔的努力的同时，Absolics 获得了由SKC 资助的 6 亿美元的首笔重大投资，标志着 GCS 的持续发展。这项投资意味着 Absolics 是第一家专注于生产玻璃芯基板的公司，只是与英特尔的技术不同。

此外，Absolics 和 SCHMID等新公司的出现，以及激光设备供应商、显示器制造商、化学品供应商等的参与，凸显了围绕新兴玻璃芯基板供应链形成的多样化生态系统。各方正在建立合作和伙伴关系，以应对与玻璃基板制造相关的技术和物流挑战，这表明各方正共同努力，充分发挥其潜力。

在此领域，玻璃通孔 (TGV) 是玻璃芯基板的支柱之一。TGV 为更紧凑、更强大的设备铺平了道路。TGV 有助于提高层间连接密度。这些通孔有助于提高高速电路的信号完整性。连接之间的距离减小可减少信号损失和干扰，从而提高整体性能。TGV 的集成可以通过消除对单独互连层的需求来简化制造流程。然而，尽管 TGV 具有诸多优势，但它也面临许多挑战。由于制造过程的复杂性，TGV 更容易出现可能导致产品故障的缺陷。此外，TGV 通常意味着比其他解决方案更高的生产成本。对专用设备的需求加上缺陷风险可能会导致生产费用增加。最近，许多新的 TGV 相关专利已授予 LPKF 等激光设备制造商。这些进步有助于实现玻璃芯基板的商业化，同时解决与玻璃中介层相关的挑战。该解决方案可增强 GCS 和 Glass 中介层，为令人兴奋的下一代强大设备带来希望。

此外，玻璃芯基板和面板级封装 (PLP) 之间的协同作用正在推动这两个领域的创新。由于两种技术都采用类似的面板尺寸，因此它们为提高芯片密度、降低成本和提高制造效率提供了互补的机会。

玻璃芯基板代表着先进 IC 基板和先进封装领域的一个有前途的前沿。它们为下一代芯片设计和封装提供了无与伦比的性能和可扩展性。尽管挑战依然存在——所有新技术都是如此——但行业领导者和新进入者的共同努力正在为玻璃基板在各个终端市场的广泛采用铺平道路，其中人工智能芯片和服务器是重点。随着 GCS 技术的成熟和供应链基础设施的发展，玻璃芯基板有望重新定义先进封装的格局。

玻璃基板有可能取代封装内的有机基板、硅中介层和其他高速嵌入式互连。然而，也存在一些挑战：玻璃易碎，在制造过程中容易破裂。这种脆弱性需要小心处理和专门的设备，以防止在制造过程中损坏。确保玻璃基板与半导体堆栈中使用的其他材料（如金属和电介质）之间有适当的粘合是一项挑战。材料特性的差异会导致界面处产生应力，从而可能导致分层或其他可靠性问题。虽然玻璃的热膨胀系数与硅相似，但它与 PCB 板/凸块中使用的材料有很大不同。这种不匹配会在温度循环过程中引起热应力，影响可靠性和性能。

由于缺乏既定的玻璃基板行业标准，导致不同供应商的性能存在差异。由于该技术尚属新兴技术，因此缺乏足够的长期可靠性数据。需要进行更多的加速寿命测试，才能确保将这些封装用于高可靠性应用。

尽管存在缺点，玻璃基板对于 HPC/AI 和 DC 网络硅片仍有很大的前景，其重点是在 ASIC 封装内封装尽可能多的吞吐量，以提高系统的整体规模、性能和效率。

英特尔、台积电、三星和 SKC 等主要代工厂都在大力投资这项技术。英特尔在去年年底推出的测试芯片中处于领先地位。然而，高端硅片向玻璃基板的过渡还需要 3-4 年的时间。

未来玻璃基板将取代芯片中的2.5D封装

一位大学教授表示，玻璃基板的商业化将威胁目前使用的先进封装技术的主导地位，例如台积电的晶圆上芯片封装技术（CoWoS）。

佐治亚理工学院专门从事先进封装研究的李永元教授周二在首尔举行的一次工业会议上表示，玻璃基板的目标市场很明确，它们将用于芯片市场的高端领域人工智能和服务器半导体。