隨著AI和高性能電腦對(duì)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理速度的需求日益增長(zhǎng)。半導(dǎo)體行業(yè)也邁入了異構(gòu)時(shí)代，即封裝中廣泛采用多個(gè)“Chiplet”。

在這樣的背景下，信號(hào)傳輸速度的提升、功率傳輸?shù)膬?yōu)化、設(shè)計(jì)規(guī)則的完善以及封裝基板穩(wěn)定性的增強(qiáng)顯得尤為關(guān)鍵。然而，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的有機(jī)基板在面對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)顯得力不從心，因此，尋求更優(yōu)質(zhì)的材料來(lái)替代有機(jī)基板。

玻璃基板，是英特爾作出的回答。

英特爾已在玻璃基板技術(shù)上投入了大約十年時(shí)間。去年9月，英特爾宣布率先推出用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板，并計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)向市場(chǎng)提供完整的解決方案，從而使單個(gè)封裝內(nèi)的晶體管數(shù)量不斷增加，繼續(xù)推動(dòng)摩爾定律，滿足以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用的算力需求。

英特爾表示，將于本十年晚些時(shí)候使用玻璃基板進(jìn)行先進(jìn)封裝。第一批獲得玻璃基板處理的產(chǎn)品將是其規(guī)模最大、利潤(rùn)最高的產(chǎn)品，例如高端HPC（高性能計(jì)算）和AI芯片。

封裝基板，迎來(lái)新革命

那么，玻璃基板究竟有什么優(yōu)勢(shì)，能引得多家大廠悉數(shù)前來(lái)？

有業(yè)內(nèi)人士指出，隨著對(duì)更強(qiáng)大計(jì)算的需求增加，半導(dǎo)體電路變得越來(lái)越復(fù)雜，信號(hào)傳輸速度、功率傳輸、設(shè)計(jì)規(guī)則和封裝基板穩(wěn)定性的改進(jìn)將至關(guān)重要。

在此趨勢(shì)下，塑料基板（有機(jī)材料基板）很快就會(huì)達(dá)到容納的極限，特別是它們的粗糙表面，會(huì)對(duì)超精細(xì)電路的固有性能產(chǎn)生負(fù)面影響；此外，有機(jī)材料在芯片制造過(guò)程中可能會(huì)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(xiǎn)也會(huì)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(kāi)孔數(shù)量要比在有機(jī)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?；ミB密度的提升能容納的更多數(shù)量的晶體管，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更有效地利用空間；

同時(shí)，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?yàn)闇囟雀叨a(chǎn)生翹曲或變形的問(wèn)題；

此外，玻璃芯獨(dú)特的電氣性能，使其介電損耗更低，允許更加清晰的信號(hào)和電力傳輸。這樣一來(lái)，信號(hào)傳輸過(guò)程中的功率損耗就會(huì)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(hào)傳輸速度和功率效率。

綜合來(lái)講，玻璃芯基板可顯著改善電氣、機(jī)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(jì)首批采用玻璃基板的產(chǎn)品將是高端高性能計(jì)算和人工智能芯片，這些產(chǎn)品是目前使用有機(jī)基板最吃力的產(chǎn)品。

而回顧基板的演進(jìn)歷程可以發(fā)現(xiàn)，封裝基板在過(guò)去幾十年來(lái)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(lái)固定硅芯片和提供信號(hào)路徑。

自上世紀(jì)70年代以來(lái)，基板設(shè)計(jì)不斷演變，包括金屬框架、陶瓷芯片和有機(jī)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(hào)和電源引腳布線到日益復(fù)雜的芯片上。

雖然現(xiàn)在仍會(huì)看到引線框架和陶瓷芯片，但有機(jī)基板在過(guò)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(shí)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(yàn)積累。早在20世紀(jì)90年代，英特爾引領(lǐng)了業(yè)界從陶瓷封裝向有機(jī)封裝的過(guò)渡，也是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)鹵素和無(wú)鉛封裝的公司，并發(fā)明了先進(jìn)的嵌入式芯片封裝技術(shù)和業(yè)界領(lǐng)先的主動(dòng)式3D封裝技術(shù)。

如今，隨著有機(jī)基板逐漸達(dá)到能力極限。英特爾又開(kāi)始率先在尋找有機(jī)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(jí)別取代 CoWoS/EMIB 的需求，但可以提供比當(dāng)前有機(jī)基板更好的信號(hào)性能和更密集的布線。

按照英特爾所說(shuō)，在過(guò)去的十多年來(lái)里，公司一直在研究和評(píng)估玻璃基板作為有機(jī)基板替代品的可靠性。


帶動(dòng)玻璃通孔技術(shù)成為熱門

不只是加速玻璃基板技術(shù)的研發(fā)，英特爾還計(jì)劃引入玻璃通孔技術(shù)TGV（Through Glass Via），將類似于硅通孔的技術(shù)應(yīng)用于玻璃基板。

在此之前簡(jiǎn)單了解什么是硅通孔，硅通孔技術(shù)即TSV（Through Silicon Via），它是通過(guò)在芯片與芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通；TSV技術(shù)通過(guò)銅、鎢、多晶硅等導(dǎo)電物質(zhì)的填充，實(shí)現(xiàn)硅通孔的垂直電氣互聯(lián)，這項(xiàng)技術(shù)是目前唯一的垂直電互聯(lián)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)3D先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。

玻璃通孔是穿過(guò)玻璃基板的垂直電氣互連。與TSV相對(duì)應(yīng)，作為一種可能替代硅基板的材料被認(rèn)為是下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。

與硅基板相比，玻璃通孔互連技術(shù)具有優(yōu)良的高頻電學(xué)特性、大尺寸超薄玻璃基板成本低、工藝流程簡(jiǎn)單、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)?？蓱?yīng)用于2.5D/3D晶圓級(jí)封裝、芯片堆疊、MEMS傳感器和半導(dǎo)體器件的3D集成、射頻元件和模塊、CMOS 圖像傳感器 、汽車射頻和攝像頭模塊?；诖?，玻璃通孔三維互連技術(shù)成為當(dāng)前先進(jìn)封裝的研究熱點(diǎn)。


國(guó)產(chǎn)“玻璃穿孔技術(shù)”已經(jīng)進(jìn)化到第三代

據(jù)央視報(bào)道，我國(guó)東莞的一家高科技公司研發(fā)的，芯片第三代“玻璃穿孔技術(shù)”，橫空出世了，這項(xiàng)技術(shù)甚至可以讓我們的芯片技術(shù)真正意義上做到換道超車。邁進(jìn)世界領(lǐng)先的行列。

據(jù)創(chuàng)使人張繼華教授介紹，一個(gè)指甲蓋大小的玻璃晶圓，卻能在上面承載100萬(wàn)個(gè)微小的孔洞。它們都是精密排列，而且相互之間連通的，再全都用金屬填充以后，就構(gòu)建出了復(fù)雜無(wú)比的集成電路網(wǎng)絡(luò)。

這次在玻璃基板上打孔，我們用的是第三代的“玻璃穿孔技術(shù)”。據(jù)張繼華教授介紹說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)過(guò)渡到第三代技術(shù)整整用了15年的時(shí)間，第一代的技術(shù)，是用激光燒出來(lái)小孔，但孔太大，也太粗糙，根本就沒(méi)法用。后來(lái)就發(fā)展到了第二代，第二代要借用一種像光刻膠的原料來(lái)打孔，雖然效果不錯(cuò)但成本高昂?，F(xiàn)在發(fā)展到了第三代玻璃穿孔技術(shù)。終于做到了把成本降到了原來(lái)的百分之50。

而且用玻璃晶圓還可以通過(guò)堆疊把性能推上去。這樣就能做到在一個(gè)芯片上，性能比原來(lái)同等大小的芯片性能提高好幾倍。從而實(shí)現(xiàn)我們的換道超車。雖然我們現(xiàn)在還不能把芯片做到1納米或者2納米，但我們可以通過(guò)降低芯片成本和通過(guò)晶圓的堆疊，把性能做到不差于國(guó)外2納米的芯片。

而且現(xiàn)在這個(gè)玻璃基板芯片今年已經(jīng)開(kāi)始小批量生產(chǎn)給客戶使用了。很快就會(huì)大批量生產(chǎn)。