玻璃基板，陷入白熱化

作者：方圓

一塊厚度不足毫米的玻璃板，正引發(fā)英特爾、三星和臺積電之間一場靜悄悄的競賽。

在這場激烈的AI 芯片 “封裝競賽” 賽道上，三星正有條不紊地推進其玻璃中介層戰(zhàn)略布局。近日有消息稱，三星電子擬定于2028 年前實現(xiàn)玻璃中介層的正式應(yīng)用，用以替換當下的硅中介層技術(shù)。

值得關(guān)注的是，即便玻璃中介層已成為行業(yè)探索的新方向，三星的發(fā)展路線卻獨樹一幟。不同于業(yè)內(nèi)廣泛采用510x515 毫米規(guī)格大尺寸玻璃面板的做法，三星另辟蹊徑，著力開發(fā)尺寸小于 100x100 毫米的小尺寸面板。此舉旨在加快原型驗證進程，從而在市場競爭中拔得頭籌。盡管小尺寸面板存在降低制造效率的潛在問題，但行業(yè)分析人士普遍認為，這將有助于三星更快地將相關(guān)技術(shù)推向市場。

?01為什么是玻璃？

長期以來，硅基材料憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性和成熟的工藝體系，穩(wěn)居芯片制造的核心地位。然而，隨著高性能計算（HPC）、人工智能（AI）和5G技術(shù)的爆發(fā)式需求，傳統(tǒng)硅基材料的物理極限逐漸顯現(xiàn)——散熱瓶頸、信號延遲和成本壓力成為制約芯片性能提升的關(guān)鍵障礙。在此背景下，玻璃基板技術(shù)以其獨特的物理化學(xué)特性，成為半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的突破方向。

玻璃具有卓越的尺寸穩(wěn)定性，能夠支撐更大面積、更精細的圖案。它的熱膨脹系數(shù)與硅相同，而且極其平整穩(wěn)定。

此外，玻璃最吸引人的特性之一是其低介電常數(shù)，這最大限度地減少了信號傳播延遲和相鄰互連之間的串擾，這對于高速電子設(shè)備至關(guān)重要。它還能降低互連之間的電容，從而實現(xiàn)更快的信號傳輸并提高整體性能。在數(shù)據(jù)中心、電信和高性能計算等速度至關(guān)重要的應(yīng)用中，使用玻璃基板可以顯著提高系統(tǒng)效率和數(shù)據(jù)吞吐量。

低介電常數(shù)還能實現(xiàn)更好的阻抗控制，確保整個電路的信號完整性。這在射頻應(yīng)用中尤其具有吸引力，因為阻抗匹配對于最大化功率傳輸和最小化信號損耗至關(guān)重要。玻璃基板通過在整個基板表面提供一致的電氣特性，有助于設(shè)計和制造可靠性和性能更高的高頻電路。

玻璃基板的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是卓越的熱穩(wěn)定性，這對于在波動的溫度條件下維持設(shè)備性能至關(guān)重要。與在熱應(yīng)力下可能變形或分層的覆銅板不同，玻璃基板在較寬的溫度范圍內(nèi)尺寸變化極小。在熱管理至關(guān)重要的應(yīng)用中，例如汽車電子、航空航天系統(tǒng)和工業(yè)控制，玻璃能夠承受熱循環(huán)并在應(yīng)力下保持尺寸完整性，有助于防止電氣短路、斷路或其他通常與溫度引起的機械應(yīng)變相關(guān)的可靠性問題。

02誰選擇了玻璃？

玻璃基板的介電常數(shù)低這一特性使其在先進封裝（如Chiplet、2.5D/3D封裝）中展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)有機基板的潛力。以臺積電、英特爾為代表的頭部企業(yè)已開始布局玻璃基板研發(fā)，而康寧等材料巨頭則通過優(yōu)化玻璃配方進一步降低生產(chǎn)成本。

臺積電的玻璃基板布局緊密圍繞其先進封裝技術(shù)路線展開。臺積電近年來在玻璃基板領(lǐng)域的布局加速推進，將其視為延續(xù)先進封裝技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵戰(zhàn)略方向。2024年9月，臺積電宣布將大力開發(fā)扇出型面板級封裝（FOPLP）技術(shù)，并明確將玻璃基板作為核心材料，計劃于2025年為英偉達生產(chǎn)首批基于玻璃基板的芯片。這一技術(shù)通過玻璃基板的高平整度和低熱膨脹系數(shù)（CTE），解決了傳統(tǒng)有機基板（如ABF載板）在高密度封裝中的翹曲問題，同時支持更高的互連密度和信號傳輸效率。

在技術(shù)路徑上，臺積電聚焦玻璃芯扇出（Glass Core Fan-Out）和TGV（玻璃通孔）工藝的研發(fā)。根據(jù)中國臺灣玻璃基板供應(yīng)鏈的規(guī)劃，相關(guān)技術(shù)路線已明確：2025年采用Chip-First方法，2026年過渡到更先進的RDL-First工藝，并計劃于2027年量產(chǎn)復(fù)雜的TGV工藝，與臺積電的需求高度同步。此外，臺積電還通過優(yōu)化玻璃基板的深寬比設(shè)計（如2027年目標實現(xiàn)20:1的深寬比），進一步提升封裝性能。

英特爾的策略更偏向長期技術(shù)儲備與產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合。其在玻璃基板領(lǐng)域的布局始于約十年前，通過持續(xù)研發(fā)投入，目前已取得多項關(guān)鍵技術(shù)突破。2023年9月，英特爾宣布推出業(yè)界首個用于下一代先進封裝的玻璃基板技術(shù)，該技術(shù)通過實心玻璃芯取代傳統(tǒng)層壓板中的編織玻璃芯，顯著提升了尺寸穩(wěn)定性、通孔密度和信號傳輸速度。據(jù)英特爾稱，這一創(chuàng)新可使芯片上裸片的放置數(shù)量增加50%，從而提升多芯片系統(tǒng)級封裝（SiP）的密度和性能。

為支撐這一技術(shù)路線，英特爾在過去十年間已投入約10億美元，在美國亞利桑那州建立了專門的玻璃基板研發(fā)線和供應(yīng)鏈，并計劃于2026至2030年間推出完整的玻璃基板解決方案。該技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其優(yōu)異的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配性和平整度，能夠?qū)D案變形減少50%，同時支持更高溫度下的穩(wěn)定加工，為光刻焦深優(yōu)化和層間互連覆蓋提供保障。

目前，英特爾正將玻璃基板技術(shù)與共同封裝光學(xué)元件（CPO）結(jié)合，瞄準AI芯片和高性能計算（HPC）領(lǐng)域，預(yù)計相關(guān)產(chǎn)品將在2024年底前進入生產(chǎn)階段。這一戰(zhàn)略被視為英特爾延續(xù)摩爾定律、鞏固先進封裝技術(shù)話語權(quán)的重要舉措，同時也推動了整個半導(dǎo)體行業(yè)對玻璃基板替代傳統(tǒng)有機基板（如ABF載板）的探索熱潮。未來在AI芯片和異構(gòu)計算領(lǐng)域的競爭奠定基礎(chǔ)。

?03三星，以小博大

盡管業(yè)界正開始探索用于中介層的玻璃基板，但三星卻采取了獨特的策略。該公司并未采用510x515 毫米的大尺寸玻璃面板，而是開發(fā)了尺寸小于 100x100 毫米的更小單元，以加速原型設(shè)計。報告強調(diào)，盡管尺寸縮小可能會影響制造效率，但預(yù)計可以加快產(chǎn)品進入市場的速度。

三星在玻璃基板領(lǐng)域的布局呈現(xiàn)多維度推進態(tài)勢，其技術(shù)路線與商業(yè)化時間表逐漸清晰。近期，三星設(shè)備解決方案（DS）部門將要開發(fā)的下一代玻璃基板封裝材料——“玻璃中介層”（Glass Interposer），目標是替代成本高昂的傳統(tǒng)有機塑料封裝基板并提升性能，計劃于2027年實現(xiàn)量產(chǎn)。這一項目已與美國材料巨頭康寧展開合作，部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)或?qū)⑼獍约铀偌夹g(shù)落地。與此同時，三星正聯(lián)合多家材料、零部件及設(shè)備領(lǐng)域的中小企業(yè)（SME），圍繞半導(dǎo)體玻璃基板的商業(yè)化展開聯(lián)合攻關(guān)，進一步強化其在先進封裝領(lǐng)域的生態(tài)整合能力。

從時間線看，三星的玻璃基板戰(zhàn)略分為短期與長期兩步走：短期聚焦先進封裝應(yīng)用，長期則瞄準半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)。值得注意的是，三星在CES 2025上發(fā)布的玻璃基MicroLED大屏，已展示了玻璃基板在封裝尺寸優(yōu)化和成本控制上的潛力——大規(guī)格矩形玻璃載體可容納更多芯片，從而提升先進封裝的生產(chǎn)效率。

此外，三星正與韓國本土競爭對手LG、SK展開激烈角逐，三方均試圖在芯片制造玻璃基板領(lǐng)域搶占先機。這一技術(shù)被視為大幅提升芯片性能的下一代解決方案，而三星憑借其半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的深厚積累，有望在材料研發(fā)、工藝適配及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面形成差異化優(yōu)勢。

目前，三星正準備在其天安園區(qū)使用玻璃中介層封裝半導(dǎo)體，組件由外部供應(yīng)商提供。據(jù)報道，該公司計劃利用其現(xiàn)有的面板級封裝(PLP) 生產(chǎn)線來實現(xiàn)這一目標。PLP被認為特別適合玻璃基板，與依賴圓形晶圓的傳統(tǒng)晶圓級封裝（WLP）相比，其生產(chǎn)率更高。etnews指出，通過使用方形面板，PLP有望提高效率。

?04商業(yè)化臨界點

盡管玻璃基板的市場需求快速增長，但其商業(yè)化進程仍面臨多重技術(shù)瓶頸。

其應(yīng)用面臨的一大障礙是缺乏統(tǒng)一的玻璃基板尺寸、厚度和特性標準。與遵循精確全球規(guī)格的硅晶圓不同，玻璃基板目前缺乏普遍接受的尺寸和特性。對于致力于生產(chǎn)通用兼容設(shè)備的設(shè)備制造商，以及尋求在不對工藝進行重大調(diào)整的情況下更換基板的半導(dǎo)體工廠而言，標準化的缺陷使其面臨挑戰(zhàn)。

與標準化密切相關(guān)的是兼容性問題，這不僅關(guān)乎不同批次玻璃基板之間的兼容性，也關(guān)乎基板與其所支持的半導(dǎo)體器件之間的兼容性。玻璃獨特的電學(xué)和熱學(xué)特性必須與半導(dǎo)體器件的電學(xué)和熱學(xué)特性進行精確匹配。

在成熟的產(chǎn)品上通常不會使用玻璃，它將應(yīng)用于最先進的應(yīng)用，并擁有更好的電源解決方案。但這將更難處理。這是它的關(guān)鍵問題之一。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)向芯片級封裝和3D-IC等先進封裝技術(shù)邁進，后端工藝正在發(fā)生顯著的變革。這一轉(zhuǎn)變涉及傳統(tǒng)上與前端半導(dǎo)體制造相關(guān)的方法的采用和調(diào)整。

玻璃基板作為新興的封裝基板,TGV技術(shù)仍存在很多難點與挑戰(zhàn)。TGV技術(shù)是指以硼硅玻璃、石英玻璃等為基材,通過通孔或盲孔成型、種子層濺射、電鍍填充等工藝來實現(xiàn)3D互連的關(guān)鍵技術(shù)，是玻璃基板應(yīng)用于先進封裝的關(guān)鍵技術(shù)。

目前TGV的開發(fā)應(yīng)用在歐美日成熟度最高，美國玻璃制造商康寧公司多年來一直致力于玻璃解決方案的研究,可提供超大尺寸的玻璃面板,為先進半導(dǎo)體封裝提供帶過孔的精密玻璃。AGC是全球領(lǐng)先的玻璃供應(yīng)商,可以根據(jù)客戶要求的圖案在薄玻璃基板上制作通孔。LPKF公司研發(fā)的激光誘導(dǎo)深度蝕刻技術(shù)是一項在微系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的新技術(shù),每秒可加工5000個通孔,最小孔徑可達5μm。WOP是全球頂級的飛秒激光微加工供應(yīng)商之一,在飛秒激光微加工方面可達亞微米級別的精度。其他的如日本江東電氣、TECNISCO等也致力于TGV領(lǐng)域研究,為玻璃基板提供解決方案。

如今，光刻技術(shù)在實現(xiàn)小于2μm 的線距方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而這對于采用小芯片和 2.5D/3D IC 封裝至關(guān)重要。但這些更精細的尺寸也要求材料能夠承受更嚴格的加工條件，同時保持結(jié)構(gòu)和功能的完整性，目前面臨的最大挑戰(zhàn)是如何最大限度地利用光刻工具。

由于封裝對基板尺寸的限制減少，并且能夠使用更大尺寸、數(shù)值孔徑更低的透鏡，封裝供應(yīng)商正在轉(zhuǎn)向扇出型面板級封裝(FOPLP)，以便在每塊面板上處理更多封裝，從而降低成本。據(jù)估計，與圓形 300 毫米晶圓扇出型相比，面板成本可降低 30% 至 40%。、