「玻璃基板何時(shí)可以取代 PCB 板？」

這是半導(dǎo)體行業(yè)中許多異構(gòu)集成人士都在問(wèn)的問(wèn)題。不幸的是，答案并不簡(jiǎn)單。

當(dāng)國(guó)際投行大摩消息稱(chēng)，英偉達(dá) GB200 采用的先進(jìn)封裝工藝將使用玻璃基板時(shí)，不止半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士，所有人都開(kāi)始提出了這個(gè)問(wèn)題。

一時(shí)間玻璃基板，成為聚光燈下的矚目角色。國(guó)內(nèi)方面，玻璃基板概念突然大漲，玻璃基板的龍頭股 5 天翻倍。

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先回顧一下基板演變史。換句話(huà)說(shuō)，我們是如何走到玻璃基板成為討論話(huà)題的地步的？

什么是玻璃基板？

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。封裝基板在芯片制造過(guò)程中，可以為芯片提供支撐、散熱、供電連接等一系列功能，可以說(shuō)是芯片封裝的載體。

先進(jìn)封裝基板占封裝總材料成本的比例超過(guò)了 70%，可以看出其重要性。

如果我們把時(shí)間線(xiàn)拉長(zhǎng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)基板材料一直在變化，從最早期的使用引線(xiàn)框架或金屬，到 2000 年左右開(kāi)始使用陶瓷，再到之后變?yōu)榱擞袡C(jī)基板。

有機(jī)基板本質(zhì)上是由類(lèi)似 PCB 的材料與玻璃編織層壓板層壓而成，允許相當(dāng)多的信號(hào)通過(guò)芯片，包括基本的芯片設(shè)計(jì)，如英特爾的移動(dòng)處理器以及 AMD 基于 Zen 的處理器。

在 2010 年，今天我們討論的玻璃基板被佐治亞理工學(xué)院提出為下一個(gè)大熱點(diǎn)。在當(dāng)時(shí)還不太現(xiàn)實(shí)，但現(xiàn)在無(wú)可否認(rèn)很多公司都開(kāi)始相信玻璃會(huì)成為下一代用于基板的材料。

這是為什么？

因?yàn)橛袡C(jī)基板已經(jīng)成為高性能芯片的限制因素。過(guò)去十年中，超高密度互連接口的興起，開(kāi)始出現(xiàn)硅中介層（基板上的晶圓上的芯片）及其衍生物，還有臺(tái)積電 CoWoS 技術(shù)和英特爾的 EMIB 技術(shù)。但成本相當(dāng)高，而且無(wú)法完全解決有機(jī)基板的缺點(diǎn)。

玻璃基板的優(yōu)點(diǎn)非常突出：

第一，玻璃基板的主要成分是二氧化硅，在高溫下更穩(wěn)定。這就使得玻璃基板能夠更有效地應(yīng)對(duì)高溫，并且管理高性能芯片的散熱。這就為芯片帶來(lái)了卓越的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。

第二，相較于傳統(tǒng)的塑膠基板，玻璃基板更加平坦，這使得封裝和光刻變得更容易。數(shù)據(jù)上看，玻璃基板可將圖案畸變減少 50%，從而提高光刻的聚焦深度，進(jìn)而確保半導(dǎo)體制造更加精密和準(zhǔn)確。

第三，由于這些獨(dú)特的特性，玻璃基板可實(shí)現(xiàn)更高的互連密度。這對(duì)于下一代封裝中的電力傳輸和信號(hào)路由非常重要，這就可以在封裝中連接更多的晶體管。玻璃基板上的互連密度可以提高 10 倍。

這三點(diǎn)解決了當(dāng)前先進(jìn)封裝的難題，適合需要集成更多的晶體管和對(duì)耐熱、抗彎曲要求更高的 HPC、AI 領(lǐng)域的芯片。

尤其是，在半導(dǎo)體行業(yè)正在轉(zhuǎn)向小芯片（Chiplet）技術(shù)，即將多個(gè)芯片集成到一個(gè)封裝中的技術(shù)，玻璃基板也將大顯身手。

這就是玻璃基板被討論的地方。

簡(jiǎn)單來(lái)講，玻璃基板就是用玻璃代替有機(jī) PCB 類(lèi)材料。當(dāng)然，這并不意味著用玻璃代替整個(gè)基板，而是基板核心的材料將由玻璃制成。同時(shí)，金屬再分布層 (RDL) 仍將存在于芯片的兩側(cè)，為各種焊盤(pán)和焊點(diǎn)之間提供實(shí)際通路。

玻璃基板可以量產(chǎn)了嗎？

前文提到，最近玻璃基板概念被炒的火熱，甚至有消息稱(chēng)英偉達(dá) GB200 采用的先進(jìn)封裝工藝或?qū)⑹褂貌ＡЩ?。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，玻璃基板可以量產(chǎn)了嗎？

尋找這個(gè)問(wèn)題的答案很簡(jiǎn)單，我們直接看看該領(lǐng)域的領(lǐng)先者能否量產(chǎn)就可以回答了。這個(gè)領(lǐng)域中，研究最早的企業(yè)是英特爾，大概在十年前就開(kāi)始布局。目前已經(jīng)在亞利桑那州錢(qián)德勒的一家工廠(chǎng)（生產(chǎn) EMIB 的工廠(chǎng)）建立了一條玻璃基板完全集成的研發(fā)生產(chǎn)線(xiàn)。前后關(guān)于玻璃基板的研發(fā)投資超過(guò)了 10 億美元。

英特爾裝配和測(cè)試技術(shù)開(kāi)發(fā)工廠(chǎng)的玻璃基板測(cè)試單元。

英特爾對(duì)于玻璃基板的產(chǎn)品推出計(jì)劃是在 2030 年。在英特爾的聲明中說(shuō)到：有望在本十年后半段向市場(chǎng)提供完整的玻璃基板解決方案，使該行業(yè)能夠在 2030 年之后繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律。

一言蔽之，該領(lǐng)域最領(lǐng)先的龍頭，目前的玻璃基板也尚無(wú)法量產(chǎn)。

記者在查閱大摩報(bào)告中，文中也并未提及 GB200 會(huì)使用玻璃基板的消息，報(bào)告僅表示「看到了玻璃基板被廣泛使用于 GPU 的機(jī)會(huì)」。也就是說(shuō)，這并不意味著半導(dǎo)體用玻璃基板封裝已經(jīng)可正式量產(chǎn)使用。

對(duì)于近期的玻璃基板概念熱度，不少上市公司紛紛回應(yīng)關(guān)于玻璃基板技術(shù)的布局情況。

股價(jià)暴漲雷曼光電公告，公司經(jīng)自查，外部信息中的玻璃基板封裝技術(shù)，是指用玻璃基載板替代傳統(tǒng)有機(jī)聚合物載板進(jìn)行半導(dǎo)體芯片封裝，屬于半導(dǎo)體芯片封裝領(lǐng)域的應(yīng)用，公司的新型 PM 驅(qū)動(dòng)玻璃基封裝技術(shù)主要用于 Micro LED 顯示面板封裝，不能用于半導(dǎo)體芯片封裝。

沃格光電表示：「近日，據(jù)相關(guān)媒體信息，公司被列入玻璃基板概念股，經(jīng)公司自查，公司玻璃基 TGV 產(chǎn)品目前不具備量產(chǎn)能力，未形成營(yíng)業(yè)收入，請(qǐng)投資者理性投資，注意概念炒作風(fēng)險(xiǎn)?！?/span>

作為封裝基板龍頭供應(yīng)商深南電路表示，玻璃基板與 PCB、有機(jī)封裝基板在材料特性、生產(chǎn)工藝方面均存在差異，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域具有不同特征。公司對(duì)玻璃基板技術(shù)保持密切關(guān)注與研究，目前不涉及玻璃基板的生產(chǎn)。

實(shí)際上，目前國(guó)內(nèi)的玻璃基板更多的是指應(yīng)用于 Mini/Micro LED 上，而不是半導(dǎo)體集成電路芯片封裝領(lǐng)域。

玻璃基板，誰(shuí)在布局？

面板形式的玻璃基板

盡管?chē)?guó)內(nèi)的「此玻璃基板」，非英特爾所指的「彼玻璃基板」，但不可否認(rèn)的是，在半導(dǎo)體領(lǐng)域玻璃基板的確是下一代基板的候選者。

根據(jù) MarketsandMarkets 最近的研究，全球玻璃基板市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2023 年的 71 億美元增長(zhǎng)到 2028 年的 84 億美元，2023 年至 2028 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 3.5%。在 AI 的大勢(shì)之下，目前，已有包括英特爾、AMD、三星等多家大廠(chǎng)公開(kāi)表示入局玻璃基板封裝。

在美國(guó)通過(guò)的《芯片法案》中，宣布資助半導(dǎo)體玻璃封裝的研發(fā)和生產(chǎn)。并且已經(jīng)出資 7500 萬(wàn)美元，投資 SK 集團(tuán)旗下的 Absolics 和 SK 海力士。Absolics 官網(wǎng)顯示，Absolics 玻璃基板為 HPC 相關(guān)封裝公司、數(shù)據(jù)中心、AI 等提供高性能/低功耗/外形尺寸等差異化價(jià)值。應(yīng)用材料公司也已向 Absolics 投資約 4000 萬(wàn)美元。

三星自然無(wú)法眼睜睜看著英特爾玻璃基板業(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(zhuān)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(kāi)發(fā)玻璃基板并將其商業(yè)化。

此外，LG Innotek 的一位高管也表示，LG Innotek 正在考慮開(kāi)發(fā)用于芯片封裝的玻璃基板。其總經(jīng)理 Jaeman Park 認(rèn)為，玻璃很可能成為未來(lái)半導(dǎo)體封裝基板的主要成分。

同時(shí)，據(jù)市場(chǎng)消息，蘋(píng)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(kāi)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。

日本方面也在開(kāi)始關(guān)注這項(xiàng)新興技術(shù)。日本印刷（DNP）去年 3 月宣布成功開(kāi)發(fā) TGV 玻璃核心基板。報(bào)道里稱(chēng)，該基板用玻璃基板取代了 FC-BGA 等傳統(tǒng)樹(shù)脂基板，提供了比基于現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體封裝性能更高的半導(dǎo)體封裝。

DNP 提出了在 2027 年大規(guī)模量產(chǎn) TGV 玻璃芯基板的目標(biāo)。DNP 預(yù)計(jì)英特爾等公司將采用該技術(shù)，并估計(jì)到 2030 財(cái)年，用于半導(dǎo)體封裝的基板產(chǎn)生的收入可能達(dá)到 300 億日元（2 億美元）。

存在很多挑戰(zhàn)

目前玻璃基板還存在很多問(wèn)題沒(méi)有解決。

英特爾基板 TD 模塊工程研究員兼總監(jiān) Rahul Manepalli 表示：「玻璃是一種獲得與硅中介層非常相似的互連密度的手段。玻璃基板可以實(shí)現(xiàn)這種功能，但它也帶來(lái)了非常具有挑戰(zhàn)性的集成和接口工程問(wèn)題，我們必須解決這些問(wèn)題?！?/span>

這些種種挑戰(zhàn)，諸如玻璃基板的易碎性、與金屬缺乏粘合性以及難以實(shí)現(xiàn)均勻的通孔填充。而且玻璃具有高透明度，與硅的不同反射率讓檢查和測(cè)量也成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，依靠反射率來(lái)測(cè)量距離和深度的光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)必須適應(yīng)玻璃的半透明度，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真或丟失，從而影響測(cè)量精度。

此外，玻璃基板的普及中缺乏可靠性數(shù)據(jù)也是一個(gè)絆腳石。玻璃基板是半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的新進(jìn)入者，與 FR4、聚酰亞胺或味之素積層膜 (ABF) 等傳統(tǒng)材料相比，長(zhǎng)期可靠性信息相對(duì)匱乏，需要數(shù)十年的數(shù)據(jù)來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)、性能指標(biāo)和預(yù)期壽命。

玻璃基板的可靠性數(shù)據(jù)涵蓋多種因素，包括機(jī)械強(qiáng)度、耐熱循環(huán)性、吸濕性、介電擊穿和應(yīng)力引起的分層。這些特性中的每一個(gè)都會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，尤其是在極端或多變的條件下。

總體來(lái)看，玻璃基板封裝確實(shí)已是公認(rèn)的「下一代技術(shù)」，但目前用于半導(dǎo)體的玻璃基板封裝產(chǎn)業(yè)仍處于剛剛萌芽階段，玻璃基板何時(shí)會(huì)開(kāi)始真正占領(lǐng)市場(chǎng)、會(huì)否取代有機(jī)基板、產(chǎn)業(yè)鏈誰(shuí)將出頭都仍是未知。