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⚫AI 芯片算力需求提升，玻璃基板替代登上舞台。AI 应用的复杂性增加，面向AI 等领域的高密度计算、机器学习、并行计算及 HPC 等应用的需求，对芯片也提出了更高的要求。使用玻璃基板的先进封装是潜在解决方案之一。2023年 9 月，英特尔推出行业首个玻璃基板先进封装计划，宣布在 2030 年之前面向先进封装采用玻璃基板，三星等厂商也在积极跟进。同时，玻璃材料应用领域广泛，包括替代 CoWoS-中介层/FC-BGA 基板，共封装光学器件集成、Mini/Micro LED 背板材料、无源器件和传感器封装领域。![]()
⚫玻璃基板各项物理性质出众。玻璃基板具有较高的表面平整度和低粗糙度，有利于高密度 RDL 布线。化学稳定性出色，能有效抵抗湿气、酸碱等环境侵蚀。玻璃基板能有效对抗封装过程中的翘曲问题。同时其具备优越电气性能，高电阻率和低介电常数可减少传输损耗，保障互联密度和信号的完整性。此外，玻璃基板封装的封装尺寸变化带来显著成本效益。矩形芯片与圆形硅中介层的不匹配将导致晶圆边缘出现浪费，并在芯片尺寸变大时进一步恶化使用效率。采用大规格的矩形玻璃作为载体或最终作为中介层，能够在一个载体或中介层中容纳更多芯片，可显著提高先进封装的效率。⚫TGV 技术是实现玻璃基板垂直电气互连的关键技术。它涉及到在玻璃基板上形成贯穿孔洞，这对于电子设备的轻薄化和功能集成至关重要。TGV 的工艺流程中难点环节在于通孔和填孔两大环节。TGV通孔技术难点已被攻克。TGV通孔的制备需要满足高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。激光诱导刻蚀是目前最有大规模使用前景的工艺。激光诱导蚀刻快速成型技术使用超快激光对玻璃进行定向改质，再经后续化学刻蚀将玻璃的改质通道放大形成通孔，可实现高深宽比玻璃深孔或沟槽的制作，具有各向同性刻蚀的优点。对于玻璃基板填孔过程，PVD 中的挑战在于如何提高金属层与玻璃表面的粘附性。⚫玻璃基板先进封装潜力被发掘，玻璃基板封装产业链加速研发。在 IDM/封装方面，英特尔宣布将在 2030 年大规模生产玻璃基板，并已在亚利桑那厂投资10 亿美元建立玻璃基板研发线及供应链，三星组建三星电子、三星显示、三星电机统一战线进军玻璃基板研发；在芯片设计方面，AMD 正积极进行芯片产品导入玻璃基板测试；玻璃基板业务已经趋于成熟，康宁、旭硝子、肖特均具备高精度玻璃晶圆或基板供应能力；在激光通孔业务上，LPKF、Samtec 等厂商能够提供成熟的激光通孔（TGV）解决方案。AI 芯片算力需求提升，玻璃基板替代登上舞台。AI 应用的复杂性增加，面向 AI等领域的高密度计算、机器学习、并行计算及 HPC 等应用的需求，对芯片也提出了更高的要求。例如 AMD 的新一代 EPYC 处理器支持高达 384 线程，核心数最高可达 192 个，其中配置了 16 个"Zen 5"CCDs（核心复合芯片）。该 CCD 芯片制造工艺先进，使用了台积电的 3 纳米工艺，而中央 I/O 芯片（IOD）则采用了 4 纳米工艺，显示出 AI 时代背景下对芯片更高制程的需求。随着 AI 算力需求的逐渐提高，硬件电路高度复杂化，传统 PCB 有机基板和 TSV 技术在未来将可能成为制约 AI 芯片等高性能算力芯片生产的短板。英特尔引爆热点，玻璃基板技术成行业焦点。2023 年 9 月，英特尔推出行业首个玻璃基板先进封装计划，宣布在 2030 年之前面向先进封装采用玻璃基板。英特尔预计到 2030 年末，半导体行业可能会达到其使用有机材料在硅封装上缩放晶体管的极限。随着对更强大计算的需求增加，半导体行业进入在封装中使用多个“小芯片”的异构时代，提高信号传输速度、功率传输、设计规则和封装基板的稳定性将是至关重要的。与目前使用的有机基板相比，玻璃基板具有优异的机械、物理和光学性能，可以在封装中连接更多的晶体管，提供更好的可扩展性，并组装更大的小芯片复合体（SoC，系统级封装）。玻璃基板技术或成为帮助英特尔在一个封装上扩展 1万亿个晶体管目标的关键。今年 5 月初，三星电机(Samsung Electro Mechanics)宣布预期 2026 年面向高端 SiP 开始生产玻璃基板。在 1 月的 CES 2024上，三星电机已提出，今年将建立一条玻璃基板原型生产线，目标是 2025 年生产原型，2026 年实现量产。京东方、台积电、群升工业、安普电子等也在积极探索玻璃基板技术。先进封装产能扩张速度难以跟上 AI 芯片爆发式增长的需求，使用玻璃基板的先进封装是优秀解决方案。![]()
玻璃材料应用领域广泛。作为封装领域引入的重要革新，玻璃基板提供与 CoWoS S 结构中的硅中介层类似功能的中介层，使重新分布层（RDL）和玻璃通孔 (TGV)可直接构建在玻璃面板上，有望取代 ABF 载板中的 FC-BGA 基板；在共封装光学器件（CPO）中集成玻璃波导和 TGV，实现更高的互连密度，改进功率传输和信号路由;在 Mini/Micro LED 显示技术中作为背板材料，因其导热性能好，热稳定性和物理变形小，平整性突出，降低工艺难度提升成品率;玻璃在无源器件制造中的应用也日益广泛，可成为广泛传感器和 MEMS 封装应用的高度通用基板。玻璃基板各项物理性质出众。玻璃基板具有较高的表面平整度和低粗糙度，为微小尺寸半导体器件的制造提供了理想的平台，有利于高密度 RDL 布线。此外，玻璃化学稳定性出色，相比于有机材料吸湿性更低，能有效抵抗湿气、酸碱等环境侵蚀，保障封装内元件的长期稳定性。![]()
有效对抗翘曲问题，适合大尺寸封装。大尺寸基板需承载高密度的芯片封装，而芯片封装过程中会伴随大量热量产生。在封装堆叠时，硅芯片、环氧树脂模塑料和有机 RDL 都具有不同的热膨胀系数 (CTE)，这意味着当温度升高时，堆叠的组成部分可能会发生不同程度的膨胀。在成型、固化或脱粘过程中，这些材料界面处的应力可能会发生变化，导致堆叠翘曲，并可能导致分层或接头/凸块错位。玻璃基板的热膨胀系数为 3-9ppm/K，与硅的 2.9-4ppm/K 接近，不易因封装过程中产生热量导致各层材料间形变程度不同而发生翘曲。同时其杨氏模量为 50-90GPA，明显高于有机材料，抵抗形变能力更强。玻璃基板大尺寸稳定性以及可调节的刚性模量使其通孔密度是原先硅基板的 10 倍，提高芯片封装密度。![]()
优越电气性能，减少传输损耗。玻璃是一种绝缘材料，相对介电常数仅约为硅片的三分之一。较低的介电常数意味着它具有较低的寄生电容，从而在传输过程中减少信号损失，因此玻璃中介层可以在高速传输过程中提供更好的功率效率或更好的信号完整性。此外，由于玻璃的高电阻率，相邻互连之间的电流泄漏较小，因此与硅相比，玻璃材料的串扰或噪声问题较小。随着互连变得越来越精细和密集，玻璃基板能保障互联密度和信号的完整性，满足人工智能芯片封装的需求。![]()
封装尺寸变化带来显著成本效益。所有芯片都是矩形的，而硅中介层是圆形的,这种不匹配可能会导致晶圆边缘出现大量未使用的区域，并且当芯片尺寸变大时，晶圆区域的使用效率可能会恶化。若将 300mm 晶圆级封装与 515x510mm 面板级封装相比，矩形的面板级封装芯片占用面积比高到 93%，而晶圆级封装则只有 64%。这几何级别的差异，直接导致生产过程中生产速率的巨大差异。另外，根据 Yole报告，例如 FOWLP 技术面积使用率<85%，FOPLP 面积使用率>95%。因此采用大规格的矩形玻璃作为载体或最终作为中介层，能够在一个载体或中介层中容纳更多芯片，可显著提高先进封装的效率。具体推算从 200mm 过渡到 300mm 大约能节省 25%的成本，从 300mm 过渡到板级，则能节约 66%的成本。面板级封装的成本与晶圆级封装相比将会降低 66%。![]()
TGV（Through Glass Via）技术是实现玻璃基板垂直电气互连的关键技术。它涉及到在玻璃基板上形成贯穿孔洞，这对于电子设备的轻薄化和功能集成至关重要。对于先进封装领域的各种应用，每片基板上通常需要应用数万个玻璃通孔并对其进行金属化，以获得所需要的导电性，是制约量产的关键问题。TGV 的工艺流程包括前期准备、激光打孔、蚀刻处理、后续处理和质量检测，其中难点环节在于通孔和填孔两大环节。![]()
TGV 通孔技术难点已被攻克。TGV 通孔的制备需要满足高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求，目前主流的玻璃通孔加工成型方法有喷砂法、聚焦放电法、等离子刻蚀法、激光烧蚀法、电化学放电法、光敏玻璃法、激光诱导刻蚀法等。其中激光诱导刻蚀优势明显，是目前最有大规模使用前景的工艺。激光诱导蚀刻快速成型技术（LIERP）使用超快激光对玻璃进行定向改质，再经后续化学刻蚀将玻璃的改质通道放大形成通孔，可实现高深宽比玻璃深孔或沟槽的制作，具备低成本优势。
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限制玻璃通孔应用的另一个技术难点是高质量的金属填充。与 TSV （硅通孔）不同，TGV 孔径较大，且多为通孔，电镀时间长、成本高；另一方面，与硅材料不同，由于玻璃表面平滑，与常用金属（如 Cu）的黏附性较差，容易造成玻璃衬底与金属层之间的分层现象，导致金属层卷曲甚至脱落等现象。主要的解决方案为 TGV 金属实孔填充技术和 TGV 孔内电镀薄层技术。前者通过物理气相沉积（PVD）的方法在 TGV 盲孔内部沉积种子层，再自底向上电镀，实现 TGV 的无缝填充，但对于高深宽比通孔来说，物理气相沉积的设备和工艺过于昂贵。TGV孔内电镀薄层技术采用通孔内电镀薄层方案代替实心电镀实现电学连接，在电性能方面，两者的插入损耗差别较小，但薄层电镀可以有效减小电镀时间和电镀成本。![]()
玻璃基板先进封装潜力被发掘，玻璃基板封装产业链加速研发。在 IDM/封装方面，英特尔宣布将在 2030 年大规模生产玻璃基板，并已在亚利桑那厂投资 10 亿美元建立玻璃基板研发线及供应链，三星组建三星电子、三星显示、三星电机统一战线进军玻璃基板研发；在芯片设计方面，AMD 正积极进行芯片产品导入玻璃基板测试；玻璃基板业务已经趋于成熟，康宁、旭硝子、肖特均具备高精度玻璃晶圆或基板供应能力；在激光通孔业务上，LPKF、Samtec 等厂商能够提供成熟的激光通孔（TGV）解决方案。![]()
国内玻璃基板封装产业链完善。玻璃基板封装厂商包括长电科技、京东方、通富微电、深天马；玻璃基板提供商包括沃格光电、东旭光电、彩虹股份；激光设备厂商包括德龙激光、帝尔激光、大族激光、赛微电子、五方光电、蓝特光学、雷曼光电；通孔填孔环节厂商为天承科技、微导纳米；后道检测环节厂商为赛腾股份。![]()
玻璃基板市场竞争格局加剧。新兴玻璃基板市场国内外参与者众多，有可能难以抢占玻璃基板市场份额。玻璃基板市场规模增长不及预期。玻璃基板成为继续提升芯片集成度和效能的新路径，如果玻璃基板未能如预期实现高渗透率，市场规模增长可能不及预期。玻璃基板先进封装技术进展不及预期。先进封装对技术和工艺的要求越来越高，需要先进生产设备和研发资金的不断投入，成本巨大，如未能准确把握市场需求或取得如期成果，容易在快节奏竞争中落后。来源： 兴业证券
作者：姚康、仇文妍
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