當(dāng)前人工智能、自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)中心等對(duì)高性能計(jì)算芯片提出了更高要求，同時(shí)摩爾定律逐漸逼近極限，先進(jìn)封裝被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代突破高性能計(jì)算芯片技術(shù)瓶頸的重要路徑之一。玻璃基板封裝憑借可實(shí)現(xiàn)超大型系統(tǒng)級(jí)封裝、高組裝良率，正引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。北京前沿技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢明顯，應(yīng)積極搶抓玻璃基板封裝發(fā)展機(jī)遇，引領(lǐng)北京集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
一、技術(shù)市場雙輪驅(qū)動(dòng)，玻璃基板成先進(jìn)封裝新賽道
先進(jìn)封裝成為后摩爾時(shí)代集成電路技術(shù)發(fā)展的一條重要路徑。后摩爾時(shí)代，芯片的發(fā)展逐漸演化出了不同的技術(shù)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(jìn)，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(jìn)過程中未開拓的技術(shù)方向，先進(jìn)封裝便是其中之一，其可以實(shí)現(xiàn)更高的I/O密度、更快的信號(hào)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(shù)節(jié)點(diǎn)受限的情況下，先進(jìn)封裝通過優(yōu)化芯片間互連，在系統(tǒng)層面實(shí)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(guān)鍵技術(shù)方向。
AI拉動(dòng)算力需求為先進(jìn)封裝乘勢而起制造良機(jī)。隨著人工智能（AI）、高性能計(jì)算（HPC）和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)算力的需求日益增長，市場對(duì)高算力GPU芯片需求急增，帶動(dòng)先進(jìn)封裝的需求持續(xù)強(qiáng)勁。據(jù)Yole咨詢公司數(shù)據(jù)顯示，2024年全球先進(jìn)封裝市場營收將同比增長9.5%至414億美元，預(yù)計(jì)到2029年將進(jìn)一步增長到695億美元，2023年至2029年的年復(fù)合增長率將達(dá)到10.7%。
玻璃基成為先進(jìn)封裝革新的重要領(lǐng)域。硅基板因其高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度和可實(shí)現(xiàn)三維集成的特點(diǎn)，在高性能計(jì)算和高功率應(yīng)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(yùn)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(huì)使得通孔距離變長、增加了過孔傳輸損耗，且無法同時(shí)滿足高模量與DK、DF指標(biāo)。近年來作為替代方案的玻璃基板逐漸進(jìn)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(jī)會(huì)。隨著玻璃基板在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，其市場潛力巨大，吸引了眾多國內(nèi)外半導(dǎo)體巨頭及研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
二、玻璃通孔工藝是玻璃基板核心技術(shù)
硅通孔工藝（TSV）是目前實(shí)現(xiàn)三維異構(gòu)集成的主流先進(jìn)封裝技術(shù)之一。TSV主要通過銅等導(dǎo)電物質(zhì)的填充完成硅通孔的垂直電氣互連，減小信號(hào)延遲，降低電容、電感，實(shí)現(xiàn)芯片的低功耗、高速通信，增加帶寬和實(shí)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(xué)性能差的問題，業(yè)界認(rèn)為基于玻璃基板的TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）技術(shù)可作為一種替代TSV的封裝技術(shù)。TGV通過在玻璃基板中制作通孔并填充導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)芯片間的高速連接，對(duì)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(xué)特性。玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，使得襯底損耗和寄生效應(yīng)大大減小，可以有效提高傳輸信號(hào)的完整性。三是更有效地處理高溫。玻璃主要由二氧化硅構(gòu)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(jī)械穩(wěn)定性。四是工藝流程簡單。不需要在襯底表面及TGV內(nèi)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(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)。當(dāng)基板厚度小于100μm時(shí)，翹曲依然較小。六是可實(shí)現(xiàn)更高的互連密度。玻璃基板可容納的功率和數(shù)據(jù)連接數(shù)量是硅基板的10倍。這對(duì)于服務(wù)于數(shù)據(jù)人工智能和高性能計(jì)算應(yīng)用的大芯片至關(guān)重要。七是應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。除了在大算力、高頻領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景之外，透明、氣密性好、耐腐蝕等性能優(yōu)點(diǎn)使TGV基板在光電系統(tǒng)集成領(lǐng)域、MEMS封裝領(lǐng)域有巨大的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中也面臨一些技術(shù)難題。一是玻璃通孔成孔技術(shù)。TGV通孔的制備需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)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(cè)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(zhì)量進(jìn)行金屬填孔。TGV孔徑較大，且多為通孔，電鍍時(shí)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(dǎo)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(duì)于有機(jī)襯底而言，玻璃表面的粗糙度小，因而在玻璃上可以進(jìn)行高密度布線，這種技術(shù)可以進(jìn)一步減小芯片的體積。在玻璃基板上進(jìn)行高密度金屬布線需要使用如CTT（線路轉(zhuǎn)移）、PTE（光敏介質(zhì)嵌入）和多層RDL堆疊等先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)流程復(fù)雜，需要精確的工藝控制。
除玻璃通孔工藝難點(diǎn)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(duì)脆性的處理、金屬線的粘附性不足，以及實(shí)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(shù)據(jù)。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(duì)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(shè)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(dú)特的挑戰(zhàn)，如依靠反射率來測量距離和深度可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真或丟失，從而影響測量精度。四是有限的層數(shù)。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(chǎn)品所必需的，但目前這種潛力因建設(shè)過程中的實(shí)際限制而受到限制。目前用于半導(dǎo)體封裝基板通常允許多層電路，包括頂部、底部以及內(nèi)部層。
三、國內(nèi)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(duì)集中，較多玻璃基板產(chǎn)品和技術(shù)由少數(shù)國外廠商掌握。根據(jù)News Channel Nebraska Central 2022年數(shù)據(jù)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(jù)全球TGV晶圓市場份額的70%以上。此外，在芯片封裝領(lǐng)域，玻璃基板因其卓越的性能和潛在的應(yīng)用前景，吸引了包括英特爾、三星、AMD在內(nèi)的多家科技巨頭的關(guān)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(chǎn)玻璃基板，旨在發(fā)揮TGV的技術(shù)特點(diǎn)為服務(wù)器和數(shù)據(jù)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(jìn)封裝的玻璃基板開發(fā)的最先進(jìn)處理器，并計(jì)劃于2026-2030年量產(chǎn)。2024年初，三星提出將建立一條玻璃基板原型生產(chǎn)線，計(jì)劃于2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。AMD預(yù)計(jì)最早于2025-2026年在產(chǎn)品中導(dǎo)入玻璃基板，以提升其HPC產(chǎn)品競爭力。
表1 國外廠商玻璃基板封裝業(yè)務(wù)布局
數(shù)據(jù)來源：根據(jù)公開資料整理，北國咨繪制
國內(nèi)方面，以云天半導(dǎo)體、沃格光電、成都邁科等為代表的國內(nèi)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(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)批量供貨，其二期工廠于2021年投產(chǎn)使用，可提供WLP、3DWLCSP、Fan-out等封裝技術(shù)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(jí)封裝載板技術(shù)，且具備小批量產(chǎn)品供貨能力，其玻璃基板級(jí)封裝載板產(chǎn)品采用TGV技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)2.5D、3D垂直封裝。成都邁科可實(shí)現(xiàn)TGV3.0超高深徑比70:1，晶圓級(jí)中試產(chǎn)線年產(chǎn)能約7萬片，2025年以后增設(shè)TGV板級(jí)封裝試驗(yàn)線，計(jì)劃產(chǎn)能達(dá)到每年2萬片。此外，長電科技已在進(jìn)行玻璃基板封裝項(xiàng)目的開發(fā)，預(yù)計(jì)2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
表2 國內(nèi)廠商玻璃基板封裝業(yè)務(wù)布局
數(shù)據(jù)來源：根據(jù)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(chǔ)
京東方早在2020年就開始關(guān)注玻璃基封裝基板這一新技術(shù)領(lǐng)域，并于2022年底，在京投資近4億元人民幣打造了業(yè)內(nèi)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(shí)現(xiàn)工藝通線。京東方在玻璃基封裝技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)具備了初步的工藝路線和技術(shù)積累，掌握了玻璃通孔技術(shù)（TGV）、玻璃通孔填銅技術(shù)、玻璃基板多層布線技術(shù)等核心技術(shù)，并利用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能射頻通信芯片產(chǎn)品的開發(fā)。京東方在該領(lǐng)域已布局了五十余項(xiàng)專利，初步形成了技術(shù)壁壘，2023年底，完成了首批次、小批量訂單交付，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
五、北京市發(fā)展玻璃基板封裝產(chǎn)業(yè)相關(guān)建議
結(jié)合全球玻璃基板封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及北京市現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和優(yōu)勢條件，通過加速前沿技術(shù)布局、加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈建設(shè)、加快產(chǎn)品示范應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)北京市玻璃基板封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局。
一是積極推進(jìn)玻璃基板及TGV技術(shù)的研發(fā)布局。依托北京市高校院所及新型研發(fā)機(jī)構(gòu)的先行優(yōu)勢，開展面向玻璃通孔（TGV）關(guān)鍵技術(shù)（高深寬比通孔技術(shù)、激光誘導(dǎo)蝕刻技術(shù)、金屬填充技術(shù)等）創(chuàng)新研發(fā)，支持開發(fā)面向玻璃基板及TGV技術(shù)的專用設(shè)備和工具，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率。
二是充分發(fā)揮龍頭企業(yè)引領(lǐng)作用，加強(qiáng)先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈建設(shè)。作為北京市新型顯示領(lǐng)域龍頭企業(yè)，京東方在玻璃基封裝技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)具備了初步的工藝路線和技術(shù)積累，在我國玻璃基板領(lǐng)域處于技術(shù)領(lǐng)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(jìn)一步推動(dòng)玻璃基板封裝技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；同時(shí)，積極與京內(nèi)外原材料供應(yīng)、晶圓制造、設(shè)備制造、先進(jìn)封裝企業(yè)開展深入對(duì)接，吸引上下游相關(guān)企業(yè)落戶北京，完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，提高產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)。
三是推動(dòng)芯片-整機(jī)協(xié)同應(yīng)用，鼓勵(lì)開展玻璃基板封裝在AI領(lǐng)域的示范應(yīng)用。積極推動(dòng)玻璃基板封裝廠商與場景創(chuàng)新應(yīng)用廠商的合作，推動(dòng)北京市人工智能企業(yè)與玻璃基板封裝廠商在高性能計(jì)算芯片、存算芯片等方面的聯(lián)合開發(fā)和驗(yàn)證應(yīng)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(shù)領(lǐng)域研究工作
