當前人工智能、自動駕駛、數據中心等對高性能計算芯片提出了更高要求，同時摩爾定律逐漸逼近極限，先進封裝被認為是后摩爾時代突破高性能計算芯片技術瓶頸的重要路徑之一。玻璃基板封裝憑借可實現(xiàn)超大型系統(tǒng)級封裝、高組裝良率，正引起業(yè)界的廣泛關注。北京前沿技術創(chuàng)新優(yōu)勢明顯，應積極搶抓玻璃基板封裝發(fā)展機遇，引領北京集成電路產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
一、技術市場雙輪驅動，玻璃基板成先進封裝新賽道
先進封裝成為后摩爾時代集成電路技術發(fā)展的一條重要路徑。后摩爾時代，芯片的發(fā)展逐漸演化出了不同的技術方向。其中“More Moore”（深度摩爾）方向是研發(fā)新方法沿著摩爾定律的道路繼續(xù)向前推進，不斷縮小芯片制程。另一方向則是“More than Moore”（超越摩爾），即發(fā)展摩爾定律演進過程中未開拓的技術方向，先進封裝便是其中之一，其可以實現(xiàn)更高的I/O密度、更快的信號傳輸速度和更好的電熱性能，從而提高芯片的性能和功能。在芯片前道工藝技術節(jié)點受限的情況下，先進封裝通過優(yōu)化芯片間互連，在系統(tǒng)層面實現(xiàn)算力、功耗和集成度等方面的提升，是突破摩爾定律的關鍵技術方向。
AI拉動算力需求為先進封裝乘勢而起制造良機。隨著人工智能（AI）、高性能計算（HPC）和大數據等技術的發(fā)展，對算力的需求日益增長，市場對高算力GPU芯片需求急增，帶動先進封裝的需求持續(xù)強勁。據Yole咨詢公司數據顯示，2024年全球先進封裝市場營收將同比增長9.5%至414億美元，預計到2029年將進一步增長到695億美元，2023年至2029年的年復合增長率將達到10.7%。
玻璃基成為先進封裝革新的重要領域。硅基板因其高熱導率、高強度和可實現(xiàn)三維集成的特點，在高性能計算和高功率應用的封裝中顯示出優(yōu)勢，成為目前主流封裝基板材料。但隨著AI運算及處理器芯片的封裝尺寸越來越大，大尺寸FCBGA翹曲面臨瓶頸。而大尺寸芯片不斷增加芯板厚度來克服翹曲問題，會使得通孔距離變長、增加了過孔傳輸損耗，且無法同時滿足高模量與DK、DF指標。近年來作為替代方案的玻璃基板逐漸進入視線，玻璃基板以其卓越的平整性、熱穩(wěn)定性和電氣性能，提供了更高的互連密度和更低的功率損耗，為封裝行業(yè)帶來新的增長機會。隨著玻璃基板在先進封裝領域的應用逐步擴大，其市場潛力巨大，吸引了眾多國內外半導體巨頭及研究機構的關注。
二、玻璃通孔工藝是玻璃基板核心技術
硅通孔工藝（TSV）是目前實現(xiàn)三維異構集成的主流先進封裝技術之一。TSV主要通過銅等導電物質的填充完成硅通孔的垂直電氣互連，減小信號延遲，降低電容、電感，實現(xiàn)芯片的低功耗、高速通信，增加帶寬和實現(xiàn)器件集成的小型化需求。但由于硅基板存在成本高和電學性能差的問題，業(yè)界認為基于玻璃基板的TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）技術可作為一種替代TSV的封裝技術。TGV通過在玻璃基板中制作通孔并填充導電材料，實現(xiàn)芯片間的高速連接，對于提升封裝密度和性能具有重要意義。
相較硅通孔工藝，玻璃通孔工藝優(yōu)勢顯著。一是低成本。得益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃基板的制作成本大約只有硅基板的1/8。二是優(yōu)良的高頻電學特性。玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個數量級，使得襯底損耗和寄生效應大大減小，可以有效提高傳輸信號的完整性。三是更有效地處理高溫。玻璃主要由二氧化硅構成，在高溫下更穩(wěn)定。因此，玻璃基板可以有效管理高性能芯片的散熱，具有卓越的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。四是工藝流程簡單。不需要在襯底表面及TGV內壁沉積絕緣層，且超薄玻璃基板不需要二次減薄。五是玻璃更平坦，機械穩(wěn)定性強。當基板厚度小于100μm時，翹曲依然較小。六是可實現(xiàn)更高的互連密度。玻璃基板可容納的功率和數據連接數量是硅基板的10倍。這對于服務于數據人工智能和高性能計算應用的大芯片至關重要。七是應用領域廣泛。除了在大算力、高頻領域有良好應用前景之外，透明、氣密性好、耐腐蝕等性能優(yōu)點使TGV基板在光電系統(tǒng)集成領域、MEMS封裝領域有巨大的應用前景。
圖片來源：Yole
圖1 玻璃基板工藝概覽
玻璃通孔工藝在實際應用中也面臨一些技術難題。一是玻璃通孔成孔技術。TGV通孔的制備需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求，如何制備出高深寬比、窄節(jié)距、高垂直度、高側壁粗糙度、低成本的玻璃微孔一直是多年來各種研究工作的重心。二是高質量進行金屬填孔。TGV孔徑較大，且多為通孔，電鍍時間長、成本高；此外，與硅材料不同，由于玻璃表面平滑，與常用金屬（如Cu）的黏附性較差，容易造成玻璃襯底與金屬層之間的分層，導致金屬層卷曲甚至脫落等現(xiàn)象。三是表面高密度金屬布線。相對于有機襯底而言，玻璃表面的粗糙度小，因而在玻璃上可以進行高密度布線，這種技術可以進一步減小芯片的體積。在玻璃基板上進行高密度金屬布線需要使用如CTT（線路轉移）、PTE（光敏介質嵌入）和多層RDL堆疊等先進技術，這些技術流程復雜，需要精確的工藝控制。
除玻璃通孔工藝難點正在突破外，玻璃基板封裝的發(fā)展仍然存在一些挑戰(zhàn)。一是加工挑戰(zhàn)。玻璃基板的加工面臨著巨大挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括鉆孔和填孔的優(yōu)化，需要考慮對脆性的處理、金屬線的粘附性不足，以及實現(xiàn)均勻的過孔填充和一致的電氣性能。二是缺乏可靠性數據。與傳統(tǒng)的BT/ABF等基板相比，玻璃基板的長期可靠性信息相對不足。三是制造和測試挑戰(zhàn)。由于玻璃基板較脆，還需要重新開發(fā)制造設備。且由于玻璃的透明度高且反射率與硅不同，因此為測試帶來了獨特的挑戰(zhàn)，如依靠反射率來測量距離和深度可能會導致信號失真或丟失，從而影響測量精度。四是有限的層數。玻璃基板的前景在于支持高密度互連的能力，這是下一代電子產品所必需的，但目前這種潛力因建設過程中的實際限制而受到限制。目前用于半導體封裝基板通常允許多層電路，包括頂部、底部以及內部層。
三、國內外企業(yè)玻璃基板及玻璃通孔工藝布局情況
國際方面，全球玻璃基板格局相對集中，較多玻璃基板產品和技術由少數國外廠商掌握。根據News Channel Nebraska Central 2022年數據顯示，美國康寧（Corning）、德國樂普科LPKF、美國申泰（Samtec）、Kiso Micro、日本泰庫尼思科（Tecnisco）等全球前五名廠商占據全球TGV晶圓市場份額的70%以上。此外，在芯片封裝領域，玻璃基板因其卓越的性能和潛在的應用前景，吸引了包括英特爾、三星、AMD在內的多家科技巨頭的關注。英特爾已投資超過10億美元在亞利桑那州錢德勒的超潔凈CH8工廠生產玻璃基板，旨在發(fā)揮TGV的技術特點為服務器和數據中心中的大算力芯片帶來速度和功耗優(yōu)勢；2023年，英特爾最早宣布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，并計劃于2026-2030年量產。2024年初，三星提出將建立一條玻璃基板原型生產線，計劃于2026年實現(xiàn)量產。AMD預計最早于2025-2026年在產品中導入玻璃基板，以提升其HPC產品競爭力。
表1 國外廠商玻璃基板封裝業(yè)務布局
數據來源：根據公開資料整理，北國咨繪制
國內方面，以云天半導體、沃格光電、成都邁科等為代表的國內廠商有望打破海外廠商高度壟斷的TGV市場競爭格局。云天半導體已實現(xiàn)批量供貨，其二期工廠于2021年投產使用，可提供WLP、3DWLCSP、Fan-out等封裝技術以及玻璃通孔工藝和集成無源器件制造能力。沃格光電掌握玻璃基板級封裝載板技術，且具備小批量產品供貨能力，其玻璃基板級封裝載板產品采用TGV技術，可實現(xiàn)2.5D、3D垂直封裝。成都邁科可實現(xiàn)TGV3.0超高深徑比70:1，晶圓級中試產線年產能約7萬片，2025年以后增設TGV板級封裝試驗線，計劃產能達到每年2萬片。此外，長電科技已在進行玻璃基板封裝項目的開發(fā)，預計2024年實現(xiàn)量產。
表2 國內廠商玻璃基板封裝業(yè)務布局
數據來源：根據公開資料整理，北國咨繪制
四、北京市玻璃基板及玻璃通孔工藝的基礎
京東方早在2020年就開始關注玻璃基封裝基板這一新技術領域，并于2022年底，在京投資近4億元人民幣打造了業(yè)內首條玻璃基硅基兼容的8寸中試線，該中試線于2023年12月順利實現(xiàn)工藝通線。京東方在玻璃基封裝技術領域已經具備了初步的工藝路線和技術積累，掌握了玻璃通孔技術（TGV）、玻璃通孔填銅技術、玻璃基板多層布線技術等核心技術，并利用上述技術實現(xiàn)了高性能射頻通信芯片產品的開發(fā)。京東方在該領域已布局了五十余項專利，初步形成了技術壁壘，2023年底，完成了首批次、小批量訂單交付，在行業(yè)內處于領先地位。
五、北京市發(fā)展玻璃基板封裝產業(yè)相關建議
結合全球玻璃基板封裝產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及北京市現(xiàn)有的產業(yè)基礎和優(yōu)勢條件，通過加速前沿技術布局、加強產業(yè)生態(tài)鏈建設、加快產品示范應用，進一步推進北京市玻璃基板封裝產業(yè)發(fā)展布局。
一是積極推進玻璃基板及TGV技術的研發(fā)布局。依托北京市高校院所及新型研發(fā)機構的先行優(yōu)勢，開展面向玻璃通孔（TGV）關鍵技術（高深寬比通孔技術、激光誘導蝕刻技術、金屬填充技術等）創(chuàng)新研發(fā)，支持開發(fā)面向玻璃基板及TGV技術的專用設備和工具，提高生產效率和產品良率。
二是充分發(fā)揮龍頭企業(yè)引領作用，加強先進封裝產業(yè)生態(tài)鏈建設。作為北京市新型顯示領域龍頭企業(yè)，京東方在玻璃基封裝技術領域已經具備了初步的工藝路線和技術積累，在我國玻璃基板領域處于技術領先地位。可充分發(fā)揮京東方的資源整合能力，聯(lián)合高校、研究院所等創(chuàng)新主體，整合創(chuàng)新資源，進一步推動玻璃基板封裝技術的研發(fā)和產業(yè)化；同時，積極與京內外原材料供應、晶圓制造、設備制造、先進封裝企業(yè)開展深入對接，吸引上下游相關企業(yè)落戶北京，完善產業(yè)生態(tài)鏈，提高產業(yè)集群效應。
三是推動芯片-整機協(xié)同應用，鼓勵開展玻璃基板封裝在AI領域的示范應用。積極推動玻璃基板封裝廠商與場景創(chuàng)新應用廠商的合作，推動北京市人工智能企業(yè)與玻璃基板封裝廠商在高性能計算芯片、存算芯片等方面的聯(lián)合開發(fā)和驗證應用，加快玻璃基板封裝的規(guī)模化商用。
作 者
陳思思，長期從事集成電路等新一代信息技術領域研究工作
