先進(jìn)封裝技術(shù)之爭(zhēng) | 玻璃基Chiplet異構(gòu)集成打造未來(lái)AI高算力(一)

在快速發(fā)展的半導(dǎo)體行業(yè)中，AI高性能計(jì)算對(duì)更高性能、更高集成密度和更出色熱管理的追求永無(wú)止境，只有不斷突破技術(shù)界限，才能讓先進(jìn)封裝富有創(chuàng)新和彈性。

玻璃基板技術(shù)已成為供應(yīng)鏈多元化的一部分。雖尚未看到玻璃基微處理器產(chǎn)業(yè)化的曙光，但是TGV技術(shù)已達(dá)到下一個(gè)高峰，不斷突破復(fù)雜架構(gòu)和異構(gòu)集成的挑戰(zhàn)，為未來(lái)人工智能提供了變革性的基材。本文為您更新了全球玻璃基板技術(shù)的新進(jìn)展。

TGV封裝技術(shù)的大躍進(jìn)

英特爾表示，玻璃基板具有卓越的機(jī)械、物理和光學(xué)特性玻璃技術(shù)可以滿足Chiplet小芯片設(shè)計(jì)對(duì)基板的信號(hào)傳輸速度、供電能力、設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性要求，可以：

構(gòu)建更高性能的多芯片SiP，在芯片上多放置50%的裸片，從而可以塞進(jìn)更多的Chiplet；

支持采用在低于1mm厚的玻璃基板在標(biāo)準(zhǔn)510x515mm大板級(jí)尺寸上承載超過(guò)416個(gè)載板，為高性能處理器開(kāi)先河；

與CoWoS不同，玻璃基板無(wú)需中介層即可安裝SoC和HBM芯片。這意味著可以在更低的高度安裝更多芯片，可取代目前廣泛使用的FC-BGA；

保持與晶圓級(jí)先進(jìn)封裝同步，精細(xì)布線L/S達(dá)到1-2/μm ，rdl疊層擴(kuò)展至8/12-20層，這符合大眾對(duì)面板級(jí)封裝芯粒與芯粒間微細(xì)間距的期待。

引入尺寸超過(guò)70x70-100x100mm的封裝基板，從而可以封裝更多芯片。

TGV技術(shù)屬于Chiplet封裝的一種。大算力高端芯片的摩爾定律接近極限，TGV轉(zhuǎn)接板和TGV Core等玻璃互連解決方案助力推動(dòng)Chiplet進(jìn)一步發(fā)展。2.5D 玻璃基中介層/橋/嵌入式 (GPE) 封裝實(shí)現(xiàn)基板中嵌入的芯片與直接堆疊在頂部的芯片之間的 3D 堆疊。比當(dāng)前的硅中介層和高密度扇出型封裝具有更好的 I/O 密度、性能、成本和可靠性。

Chiplet 推動(dòng)玻璃基板的商業(yè)化進(jìn)程

小芯片和異構(gòu)集成將加速玻璃基板的商業(yè)化進(jìn)程，TGV可用來(lái)替代目前AI芯片量產(chǎn)最大的Cowos中的Interposer，并有可能改變當(dāng)前積電的CoWoS毒霸江湖的格局。

森丸電子作為國(guó)內(nèi)TGV技術(shù)領(lǐng)先廠商，專(zhuān)注于無(wú)源互聯(lián)集成，工藝鏈覆蓋從玻璃基片到金屬化的全流程方案，為無(wú)源集成和高密度互聯(lián)提供解決方案。如今公司完成了玻璃基的整合集成工藝平臺(tái)的迭代，并從晶圓級(jí)封裝轉(zhuǎn)向了大板級(jí)中試線，未來(lái)還將擴(kuò)建新的面板級(jí)封裝工廠。面向510x515mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸大面板級(jí)的互聯(lián)架構(gòu)，森丸電子通過(guò)高縱深比和多層RDL堆疊，這為更大封裝尺寸互聯(lián)打下良好基礎(chǔ)。

森丸電子TGV互連工藝以優(yōu)異的機(jī)械性能，電性能以及高密度三維無(wú)源互聯(lián)方案，可有效替代硅轉(zhuǎn)接板和傳統(tǒng)BT Core，助力封裝載板的疊層可達(dá)20層以上、尺寸75x75mm或更大，為封裝載板提供有效的結(jié)構(gòu)支撐和電氣互聯(lián)，為未來(lái)大算力異構(gòu)集成芯片的發(fā)展提供有效的技術(shù)支持。

BOE（京東方）基于自身技術(shù)積累構(gòu)建以TGV為特色的半導(dǎo)體解決方案。目前8寸新型試驗(yàn)線投入使用，突破高密度3D互聯(lián)技術(shù)、高深寬比TGV技術(shù)、高精度多疊層RDL、高精度MIM電容、平面螺旋電感等創(chuàng)新技術(shù)，建立行業(yè)優(yōu)勢(shì)，拓展無(wú)源器件和先進(jìn)封裝場(chǎng)景，將目標(biāo)瞄準(zhǔn)在人工智能、數(shù)據(jù)中心等新興半導(dǎo)體。

兩年前就傳出了京東方合作開(kāi)發(fā)面板級(jí)封裝技術(shù)的消息。作為全球顯示面板的龍頭，京東方未來(lái)也不排除向面板級(jí)封裝躍進(jìn)的可能。

奕斯偉與京東方有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)聯(lián)，已成為京東方的主要供應(yīng)商之一。奕斯偉將方形面板作為封裝載板，吸收現(xiàn)有晶圓級(jí)高密以及面板級(jí)大面積系統(tǒng)封裝的雙重優(yōu)點(diǎn)，以高精度的RDL工藝，將多個(gè)芯片封裝在同一面板中，提高封裝集成度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片高密互聯(lián)。旗下產(chǎn)業(yè)化公司奕成科技正在通過(guò)FOPLP技術(shù)助力先進(jìn)封裝演進(jìn)，開(kāi)發(fā)更高性能的嵌入硅橋接芯片和玻璃基板封裝、系統(tǒng)集成封裝及Chiplet方案，以應(yīng)對(duì)未來(lái)高算力時(shí)代。

奕斯偉擁有國(guó)內(nèi)最大的2.5D/3D 大板級(jí)量產(chǎn)基地——奕成板級(jí)封裝系統(tǒng)集成電路項(xiàng)目分三階段建設(shè)，新建510mm×515mm板級(jí)系統(tǒng)集成電路封裝測(cè)試生產(chǎn)線3條，總建筑面積86672平米，將形成1.8萬(wàn)片/月的生產(chǎn)能力（其中PH1.0階段建設(shè)產(chǎn)能0.06萬(wàn)片/月的板級(jí)系統(tǒng)封裝中試線1條，PH1.1階段建設(shè)產(chǎn)能0.84萬(wàn)片/月的板級(jí)系統(tǒng)封裝產(chǎn)線1條，PH1.2階段建設(shè)產(chǎn)能0.9萬(wàn)片/月的板級(jí)系統(tǒng)封裝產(chǎn)線1條）。該系統(tǒng)級(jí)工廠總投資約55億人民幣，如今一期工廠如期試量產(chǎn)。

3DGS是基于玻璃的射頻（RF）三維集成無(wú)源解決方案商，結(jié)合創(chuàng)新玻璃工藝技術(shù)與大板級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2D無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能。在垂直維度上堆疊多個(gè)基底層來(lái)實(shí)現(xiàn) 3D 異構(gòu)集成 SWAP-C 優(yōu)勢(shì)。這個(gè)其結(jié)果是無(wú)源元件具有卓越的電氣性能和超低在1到200GHz范圍內(nèi)的高頻下的傳輸損耗。

3DGS 與康寧簽署先進(jìn) TGV 形成工藝許可，為數(shù)據(jù)中心和硅光子學(xué)提供異構(gòu)解決方案上完全集成射頻和數(shù)字組件。該公司吸引了眾多風(fēng)投機(jī)構(gòu)的注意，包括Walden Catalyst Ventures英特爾資本和洛克希德·馬丁，超過(guò)6000萬(wàn)美金的幾輪融資使其能夠大規(guī)模生產(chǎn)高性能3D集成無(wú)源器件和玻璃基基板。

佐治亞理工學(xué)院已確定將玻璃基板將用于芯片市場(chǎng)高端領(lǐng)域的人工智能（AI）和服務(wù)器芯片。封裝研究中心在玻璃基板Chiplet封裝方面做了大量工作，玻璃芯上制造8-12以上金屬層從而提高 I/O 密度和性能。最新的技術(shù)進(jìn)展是，可在玻璃基板上安裝60個(gè)芯片（6個(gè)xPU6單元，54個(gè)HBM單元），封裝尺寸突破了100x100mm，這意味著它比臺(tái)積電展示的CoWoS-R技術(shù)多出3.7倍的芯片。

佐治亞理工學(xué)院是全球最早探討玻璃基板中介層的先驅(qū)者，如今他們將大型面板的可擴(kuò)展性和制造的低成本性與玻璃合二為一的理想變成現(xiàn)實(shí)。

SKC已篤定將玻璃基板作為高性能計(jì)算行業(yè)的關(guān)鍵材料，實(shí)現(xiàn)更小、更密集、更短的連接，并實(shí)現(xiàn)通過(guò)3D chiplet 高密度互聯(lián)。SKC認(rèn)為玻璃基板可以將更多的MLCC埋入到玻璃基板內(nèi)部，騰出更多的空間增加CPU/GPU的面積，或者搭載更多的存儲(chǔ)芯片。

SKC旗下的玻璃基板制造廠Absolics，作為與佐治亞理工學(xué)院 3D 封裝研究中心合作啟動(dòng)的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，投資投資3億美元1.2萬(wàn)㎡的第一工廠建設(shè)進(jìn)入尾聲，并由樣品出貨，下半年完成客戶認(rèn)證。此外，Absolics還計(jì)劃投資4億美元。建設(shè)占地面積超過(guò)7.2萬(wàn)㎡的第二工廠，以增強(qiáng)玻璃基板在美國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)地位。加上美國(guó)政府 7500 萬(wàn)美元的直接資助，大力推動(dòng)了其面向高性能計(jì)算和尖端國(guó)防商業(yè)化進(jìn)程。目前客戶鎖定了英特爾、英偉達(dá)、AMD、博通等主要芯片制造商。

近期，總部位于德國(guó)的SCHMID Group NV 宣布向玻璃芯集成電路先進(jìn)封裝邁出了新的一步，將TGV實(shí)驗(yàn)室擁有的裸玻璃基板轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)集成電路 (IC) 封裝所需的所有工藝步驟，可快速擴(kuò)展至大批量生產(chǎn)，該項(xiàng)目總投資將超5000萬(wàn)美金。技術(shù)方面，擁有機(jī)和玻璃基板的專(zhuān)有嵌入式跟蹤技術(shù)，采樣超600mm封裝基板，線寬線距2微米，玻璃芯厚度范圍從200μm到1mm，從2.5D CoWoS可切換到3D IC 多芯片堆疊。

SCHMID目前與美國(guó) Calumet Electronics (Calumet) 合作開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝基板。Calumet是美國(guó)領(lǐng)先的印刷電路板制造商， 目前正在建設(shè)一個(gè)占地 60,000 平方英尺的先進(jìn)制造設(shè)施，專(zhuān)門(mén)用于生產(chǎn)先進(jìn)基板，已獲得美國(guó)國(guó)防部了3990 萬(wàn)美元的資助，資助使 Calumet 能夠與 SCHMID 合作，提高制造能力并為國(guó)家安全做出貢獻(xiàn)。

全球最大的玻璃基板商康寧繼續(xù)擴(kuò)大其在蓬勃發(fā)展的半導(dǎo)體玻璃基板市場(chǎng)的份額。低至100μm超薄厚度的高純度熔融石英 、超低膨脹玻璃 和氟化物晶體可在最嚴(yán)酷的激光和輻射暴露水平下實(shí)現(xiàn)傳輸和耐用性，是半導(dǎo)體光刻工藝的理想選擇。康寧目前供應(yīng)兩種用于芯片生產(chǎn)的玻璃基板產(chǎn)品，一種用于處理器中中介層的臨時(shí)載體，另一種用于DRAM芯片中晶圓減薄的玻璃基板產(chǎn)品，該玻璃制造商正準(zhǔn)備推出玻璃芯，并向英特爾等多個(gè)潛在客戶提供樣品。

在韓國(guó)，以SKC為首的三星電機(jī)、LG Innotek等企業(yè)紛紛進(jìn)入玻璃基板領(lǐng)域，康寧計(jì)劃到2028年投資15億美元，在韓國(guó)擴(kuò)大包括Vendable Glass供應(yīng)鏈在內(nèi)的先進(jìn)制造能力。在中國(guó)大陸，為康寧全球最大的玻璃基板生產(chǎn)基地，玻璃基板主要供應(yīng)給當(dāng)前部署TGV技術(shù)路線的基板廠、封裝廠和實(shí)驗(yàn)室。

Schott AG 針對(duì)對(duì)搭載玻璃基板的AI芯片封裝需求升級(jí)了玻璃基板，能夠提高信號(hào)強(qiáng)度并減少信號(hào)延遲，同時(shí)保持與中介層封裝幾乎相同的構(gòu)建。并且可以嵌入元件以最大限度減少封裝的熱負(fù)荷，縮小整體封裝尺存。其結(jié)構(gòu)化的玻璃面板可替代傳統(tǒng)材料（如硅和覆銅層壓板），可提供完全的設(shè)計(jì)靈活性、最高的 I/O 數(shù)量和最低的電氣損耗和制造成本相結(jié)合。正在擴(kuò)大熔煉和加工能力，肖特歐洲和亞洲工廠產(chǎn)能和能力將持續(xù)提升。其目標(biāo)是全球所有芯片廠和 IDM（集成器件制造商）客戶。

雖然玻璃基板有著很多的優(yōu)勢(shì)，但是玻璃材質(zhì)本身也存在著一些劣勢(shì)，比如脆性。日本材料大廠電氣硝子近日宣布推出新型半導(dǎo)體基板材料GC Core（Glass-Ceramics，玻璃陶瓷），由玻璃粉末和陶瓷粉末低溫共燒而成，不易產(chǎn)生裂紋，可直接使用CO2激光鉆孔，降低量產(chǎn)成本。還有較低的介電常數(shù)和極化損耗，可減少超精細(xì)電路的信號(hào)衰減，提升電路信號(hào)質(zhì)量。電氣硝子目標(biāo)到2024年底將將尺寸擴(kuò)大到510x510mm，中國(guó)先進(jìn)封裝市場(chǎng)是其主攻的方向。

玻璃基板制造商AGC正在實(shí)施2030前的玻璃芯基板量產(chǎn)計(jì)劃，直接目標(biāo)是向英特爾供貨。該公司10多年來(lái)一直默默的改進(jìn)其精細(xì)、高精度鉆孔技術(shù)。高可靠和高速表現(xiàn)在：利用無(wú)堿玻璃、熱膨脹系數(shù)接近硅，利用玻璃的高絕緣性和低介質(zhì)損耗角正切，以優(yōu)異的高頻特性實(shí)現(xiàn)高速大容量通信，適用于基于半導(dǎo)體封裝基板及玻璃中介層的3D 玻璃 IPD MEMS 傳感器件封裝。最新的技術(shù)進(jìn)展是可在550x650mm的大面板上打出孔徑為2微米的直通孔，線寬線距為2um，在3D 堆疊超過(guò)12-16層，AGC的目標(biāo)是進(jìn)一步集成化和高性能化。

三星現(xiàn)在的打法就是大舉押上，以隨時(shí)保持對(duì)英特爾的領(lǐng)跑。三星電機(jī)表示，老子能在2025年制造出使用玻璃基板的芯片封裝原型，并在2026年至2027年之間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

為此，這家韓國(guó)科技巨頭已定于2024 年秋季生產(chǎn)首批微處理器玻璃基板。但由于三星提前其計(jì)劃，先進(jìn)產(chǎn)品可能會(huì)在 9 月份出現(xiàn)。新技術(shù)將用于高端系統(tǒng)級(jí)封裝芯片，采用將基于功能的組件集成到單個(gè)芯片中的架構(gòu)。

未了完成三星的春秋大夢(mèng)，康寧正積極輸送不斷精進(jìn)的玻璃基板。康寧目前為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片的晶圓減薄提供玻璃，這種芯片會(huì)多次使用同一種玻璃。然而，玻璃基板需要為每個(gè)芯片組單獨(dú)部署，這帶來(lái)了更大的商機(jī)。

三星計(jì)劃于 2024 年秋季生產(chǎn)首批微處理器玻璃基板。但由于三星提前其計(jì)劃，先進(jìn)產(chǎn)品可能會(huì)在 9 月份出現(xiàn)，新技術(shù)將用于SiP芯片。它們采用將基于功能的組件集成到單個(gè)芯片中的架構(gòu)。用于在玻璃基板上生產(chǎn)微電路的設(shè)備將來(lái)自Philoptics、Chongyou、Chemtronics、LPKF。同時(shí)啟用玻璃基板上的微電路參數(shù)正得到改善。韓國(guó)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)展了所有必要的工作來(lái)研究玻璃基板在AI處理器的實(shí)際產(chǎn)品，以保持在快速變化的半導(dǎo)體元件市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。

英特爾正在按照“四年五節(jié)點(diǎn)”的步驟殺回先進(jìn)芯片制造業(yè)，并在2025年之前完成對(duì)臺(tái)積電、三星的追趕。英特爾組裝和測(cè)試技術(shù)開(kāi)發(fā)工廠正在推進(jìn)對(duì)玻璃基用于AI處理器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和調(diào)整測(cè)試，良品率大幅提升，以備用于尺寸較大、功耗最高的芯片。

為了達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，英特爾加強(qiáng)了多供應(yīng)鏈的協(xié)作，并釋出訂單給對(duì)多家設(shè)備和材料供應(yīng)商，被爆出的有Applied Matierials、Corning、Absolics、欣興、健鼎、鈦升以及與電路板組裝公司。上個(gè)月，英特爾和14家日本合作伙伴攜手，計(jì)劃租用夏普閑置的液晶面板廠作為先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)中心，可能展開(kāi)玻璃基板封裝技術(shù)相關(guān)。

我們可能在2024年的秋天收到英特爾的第一款玻璃基微處理器芯片樣品，良率和性能方面將更強(qiáng)勁，如他們預(yù)言的一樣，間距更短，芯片上多放置50%的裸片，從而可以塞進(jìn)更多的Chiplet，大尺寸封裝并支持3D堆疊，為大型數(shù)據(jù)中心GPU、加速器。谷歌、亞馬遜、微軟或搶鮮用這種芯片搭建數(shù)據(jù)中心。