玻璃基板,来势汹汹

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玻璃基板挑战尚存,TGV成行业热点
本文来自格隆汇专栏:半导体行业观察;作者: L晨光

最近,备受关注的“玻璃基板”,便是其中之一。

从Intel的率先入局,到三星、LG等企业闻风而入,以及日前苹果的看好信号,一系列密集的动作背后,用玻璃材料取代有机基板似乎正在成为业内共识,或者至少是未来一个非常重要的技术路径。

当前已有不少企业在着手研发玻璃基板和相关技术。


封装基板,迎来新革命


那么,玻璃基板究竟有什么优势,能引得多家大厂悉数前来?

有业内人士指出,随着对更强大计算的需求增加,半导体电路变得越来越复杂,信号传输速度、功率传输、设计规则和封装基板稳定性的改进将至关重要。

在此趋势下,塑料基板(有机材料基板)很快就会达到容纳的极限,特别是它们的粗糙表面,会对超精细电路的固有性能产生负面影响;此外,有机材料在芯片制造过程中可能会发生收缩或翘曲,导致芯片产生缺陷。随着更多的硅芯片被封装在塑料基板上,翘曲的风险也会增加。

因此,半导体行业需要一款新型的基板。

作为新型方案,玻璃基板有比塑料基板更光滑的表面,同样面积下,开孔数量要比在有机材料上多得多。据悉,玻璃芯通孔之间的间隔能够小于 100 微米,这直接能让晶片之间的互连密度提升10倍。互连密度的提升能容纳的更多数量的晶体管,从而实现更复杂的设计和更有效地利用空间;

同时,玻璃基板在热学性能、物理稳定度方面表现都更出色,更耐热,不容易因为温度高而产生翘曲或变形的问题;

此外,玻璃芯独特的电气性能,使其介电损耗更低,允许更加清晰的信号和电力传输。这样一来,信号传输过程中的功率损耗就会降低,芯片整体的效率也就自然而然被提上去了。与ABF塑料相比,玻璃芯基板的厚度可以减少一半左右,减薄可以提高信号传输速度和功率效率。

综合来讲,玻璃芯基板可显著改善电气、机械性能和热稳定性,突破现有传统基板限制。有专家表示,预计首批采用玻璃基板的产品将是高端高性能计算和人工智能芯片,这些产品是目前使用有机基板最吃力的产品。

而回顾基板的演进历程可以发现,封装基板在过去几十年来已经经历了多次转变。

基板的需求始于早期的大规模集成芯片,随着晶体管数量增加,需要将它们连接到更多的引脚上。最早的芯片封装,如双列直插式封装,使用框架来固定硅芯片和提供信号路径。

自上世纪70年代以来,基板设计不断演变,包括金属框架、陶瓷芯片和有机封装。

不难发现,每次迭代的基板都比上一次具有更好的性能,从而可以更轻松地将大量信号和电源引脚布线到日益复杂的芯片上。

虽然现在仍会看到引线框架和陶瓷芯片,但有机基板在过去几十年中一直是该行业的支柱。

值得注意的是,英特尔在实现用于下一代封装的技术创新方面有着悠久的历史和经验积累。早在20世纪90年代,英特尔引领了业界从陶瓷封装向有机封装的过渡,也是第一个实现卤素和无铅封装的公司,并发明了先进的嵌入式芯片封装技术和业界领先的主动式3D封装技术。

如今,随着有机基板逐渐达到能力极限。英特尔又开始率先在寻找有机基板的真正替代品,一种能够与大型芯片完美配合的基板,这虽然不能在最高级别取代 CoWoS/EMIB 的需求,但可以提供比当前有机基板更好的信号性能和更密集的布线。

按照英特尔所说,在过去的十多年来里,公司一直在研究和评估玻璃基板作为有机基板替代品的可靠性。


行业玩家,竞逐玻璃基板赛道


作为封装基板领域的探索引领者,2023年9月,英特尔推出基于下一代先进封装的玻璃基板开发的最先进处理器,计划于2026~2030年量产。

英特尔表示,玻璃基板具有卓越的机械、物理和光学特性,能够构建更高性能的多芯片SiP,在芯片上多放置50%的裸片,从而可以塞进更多的Chiplet。凭借单一封装纳入更多晶体管,预计将实现更强大的算力。

同时,为了弥合机械和电气之间的差距,英特尔能够在玻璃通孔(TGV)上实现更紧密的间距,将TGV的间距控制在100μm以内,从而允许整体上有更多数量的通孔,将TGV密度提高10倍。所有这些最终使得通过基板核心路由信号变得更加灵活,并且在某种程度上使得使用更少的RDL层路由信号变得更加容易。

英特尔称该成果将重新定义芯片封装的边界,能够为数据中心、人工智能和图形构建提供改变游戏规则的解决方案,推动摩尔定律进步。

值得一提的是,英特尔认为玻璃基板的特性非常适合Chiplet,由于小芯片设计对基板的信号传输速度、供电能力、设计和稳定性提出了新的要求,在改用玻璃基板后就可以满足这些要求。

众所周知,英特尔一直致力于推动Chiplet的发展,并且拉动一批头部大厂组成UCIe联盟,旨在降低小芯片先进封装技术的设计成本,实现小芯片之间的互联制定统一。这次抢跑玻璃基板工艺,其背后大概也有引领行业标准的“私心”。

英特尔表示,针对玻璃基板方面的相关研究工作可以追溯到十年前,并且已经在美国亚利桑那州投资超过10亿美元,用于建设研发产线。

英特尔在业界率先推出用于先进封装的玻璃基板,一方面延续了近期PowerVia和RibbonFET等技术突破的良好势头,展现了英特尔对Intel 18A制程节点之后的下一个计算时代的预先关注和展望。

另一方面,这或许也是英特尔从封装测试下手,应对台积电新策略。

目前,英特尔正朝着2030年在单个封装上集成1万亿个晶体管的目标前进,而包括玻璃基板在内的先进封装技术的持续创新将有助于实现这一目标。

而就在近日,据韩媒sedaily报道,三星已经成立了专门的团队,研发“玻璃基板”技术。

三星集团子公司三星电机宣布与三星电子和三星显示器等主要电子子公司建立联合研发(R&D)统一战线,研发玻璃基板,并将在2026年开始大规模量产,旨在比十年前进入玻璃基板研发的英特尔更快地实现商业化。

组建“军团”加码研发,这足以见得三星集团对玻璃基板的重视。

英特尔和三星的积极部署,可以理解为是其迎战台积电的一大策略。当前,在先进工艺领域台积电依旧领先,而在先进封装领域台积电CoWoS实力雄厚,拥有较高的专利壁垒,英特尔和三星除在工艺层面加紧布局之外,先进封装领域也需要寻求新的路径实现追赶甚至超越,而玻璃基板成为一个最佳的“跳板”。

至于台积电的“隐忍”,有行业专家表示,台积电虽还没有相关动作,但应该也在密切关注。台积电在CoWoS领域火力全开,接连获得大厂订单享受红利,因而并不急于投入巨资押注玻璃基板,仍将继续沿着现有路径升级迭代,以保持领先地位不可撼动。而一旦台积电觉得时机成熟,将会大幅加码。

而在这项技术领域中,除了英特尔和三星,已有多个强劲对手入局。

3月25日,LG Innotek CEO Moon Hyuk-soo在回答有关发展半导体玻璃基板业务的问题时表示:“我们半导体基板的主要客户是美国一家大型半导体公司,该公司对玻璃基板表现出极大的兴趣。当然,我们正在为此做准备。”

日本DNP展示了半导体封装的一项新开发成果——玻璃芯载板 (GCS:Glass Core Substrate),据称可以解决ABF带来的许多问题,准备在2027年量产。

DNP声称,其具有玻璃芯的HDI载板与基于有机树脂的载板相比具有更优越的性能。据介绍,使用玻璃芯载板 (GCS) 可以实现更精细的间距,因此可以实现极其密集的布线,因为它更硬并且不易因高温而膨胀。DNP展示的示意图甚至完全从封装中省略了细间距载板,暗示这部分可能不再需要。

要说最早入局玻璃基板的,还得是韩国SK集团旗下的Absolics。Absolics 2021年在世界上首次开发的“高性能计算(HPC)用玻璃基板”指定为新的增长动力。去年,Absolics又投资了6亿美元,计划在乔治亚州科文顿建一座月产能达4000块的玻璃基板工厂。

Absolics看好玻璃带来的机会,将其视为半导体封装的改革者。

Absolics表示,随着微处理的性能提升已达到极限,半导体行业正在积极利用异构封装,但现有的半导体载板必须通过称为硅中介层的中间载板连接到半导体芯片,而内置无源元件的玻璃载板可以在相同尺寸下集成更多的芯片,功耗也减少了一半。

图源:Absolics

作为全球第一大基板供应商,日本Ibiden也在去年10月宣布,拟将玻璃基板作为一项新业务研发。据知情人士透露,当前Ibiden正处于半导体封装用玻璃芯基板技术的探索阶段。

另外,玻璃大厂康宁也看好玻璃在载板中的机会。他们认为,玻璃的诸多特性优势是应对传统封装材料挑战的绝佳解决方案。康宁公司正在积极探索400G及以上的集成光学解决方案,集成电光玻璃基板将被应用于CPO工艺中。

有业内人士指出,从行业整体来看,目前国外厂商对于玻璃基板的布局份额处于领先地位,包括美国康宁、美国申泰、日本泰库尼思科和KISO WAVE等。而国内方面,沃格光电、厦门云天半导体等企业也取得不同程度进展。

需要注意的是,目前国内与国外的差距更多是体现在装备方面,相关装备被美日德垄断,国产替代道阻且长。毕竟装备方面的追赶不是一朝一夕的,但是从工艺技术角度开发角度来看,国产厂商或存在弯道超车的可能。


玻璃基板挑战尚存,TGV成行业热点


作为新生事物,玻璃基板仍有现实的诸多挑战需要解决。

  • 加工挑战:玻璃基板的加工面临着巨大挑战,这些挑战包括钻孔和填孔的优化,需要考虑对脆性的处理、金属线的粘附性不足,以及实现均匀的过孔填充和一致的电气性能。同时,选择适合各项指标的玻璃材料、玻璃边缘的抗裂性、高纵横比、金属化、提高良品率、大块玻璃基板的切割,以及产品整个生命周期内的散热和承受机械力,都是需要克服的技术难题。

  • 缺乏可靠性数据:与传统的BT/ABF等基板相比,玻璃基板的长期可靠性信息相对不足。这包括建立玻璃基板可靠性数据库,涵盖机械强度、耐热循环性、吸湿性、介电击穿和应力引起的分层等方面。建立这些数据库可能需要数十年的数据积累,以制定标准、性能指标和预期寿命,这些因素最终会影响制造商的决策和投入。解决这些挑战需要跨学科的合作和长期的研究投入,以改善玻璃基板的制造工艺和性能,进而推动玻璃芯技术在各个领域的应用和发展。

  • 制造和测试挑战:由于玻璃基板较脆,还需要重新开发制造设备。且由于玻璃的透明度高且反射率与硅不同,因此为测试带来了独特的挑战,如依靠反射率来测量距离和深度可能会导致信号失真或丢失,从而影响测量精度。

  • 有限的层数:玻璃基板的前景在于支持高密度互连的能力,这是下一代电子产品所必需的。但目前这种潜力因建设过程中的实际限制而受到限制。目前用于半导体封装基板通常允许多层电路,包括顶部和底部以及内部层。这种分层对于实现多芯片模块和复杂集成电路中所需的电气路径至关重要。然而,由于玻璃的物理特性,例如其刚性和TGV使用的方法,添加内层是有问题的。

  • 成本挑战:成本也十分关键。即使技术上拥有优势,但降低成本也是一大难题,何时能够用上高性价比的玻璃基板还不确定。

另一边,TGV技术正在成为当前先进封装的研究热点。

TGV,Through Glass Via,又称玻璃通孔工艺,是穿过玻璃基板的垂直电气互连。与TSV(Through Silicon Via)相对应,作为一种可能替代有机基板通孔互连的新技术,TGV被认为是下一代先进封装的关键技术。

TGV以高品质硼硅玻璃、石英玻璃为基材,通过种子层溅射、电镀填充、化学机械平坦化、RDL再布线,bump工艺引出实现3D互联。TGV是直径通常为10μm-100μm的微通孔。对于先进封装领域的各种应用,每片晶圆上通常需要应用数万个TGV通孔并对其进行金属化,以获得所需要的导电性。 

图源:光学小豆芽

与TSV工艺相比,TGV拥有诸多优势,比如:优良的高频电学特性、大尺寸超薄玻璃衬底易于获取、机械稳定性强等。因此,TGV技术被广泛应用于射频组件、光电器件、MEMS器件,以及高密度系统集成等领域。

但有行业专家向笔者表示,TGV技术面临的关键问题是没有类似硅的深刻蚀工艺,难以快速制作高深宽比的玻璃深孔。传统的喷砂法、湿法刻蚀法和激光钻孔法等都存在一定局限性。感应耦合等离子体干法刻蚀技术控制精度高,刻蚀表面平整光滑,垂直度好,常用于刻蚀高深宽比结构,但各向同性刻蚀严重。由于玻璃衬底上掩膜沉积工艺的限制,在深孔刻蚀时,需要一定的刻蚀选择比。在保证侧壁垂直性与刻蚀选择比的同时提高玻璃刻蚀速率成为目前研究的难点。

对于玻璃基板和TGV面临的挑战和行业进展,沃格集团副总裁,研究院院长张迅表示,目前玻璃基板或搭载玻璃基板的芯片正处在量产前准备阶段。沃格从2018年上市之后就致力于TGV技术的研发,目前已经掌握了该技术的核心工艺及制程能力,目前已经与国内外大客户建立了良好的联系。

但从行业整体进程来看,玻璃基板在先进封装领域的研发尚处于初期阶段,行业仍未形成标准化和规模化。与每项新型技术相同,其发展初期需要大量资金投入以及周期迭代。尤其是TGV通孔技术,各个厂家的制备方法不尽相同,产品良率和成本的控制是大家共同面临的挑战。


“玻璃基板”市场点燃之后,生态是重中之重


目前,尽管玻璃基板和TGV应用市场尚未大规模启用,但许多半导体厂商已开始竞相入局玻璃基板和TGV领域,积极参与构建相关生态系统。

纵观行业格局,目前全球TGV市场份额高度集中,核心技术、高端产品仍掌握着国外先进企业中。据News Channel Nebraska Central 2022年数据显示,美国是最大的TGV晶圆市场,拥有约46%的市场份额。欧洲紧随其后,约占25%的市场份额。在TGV晶圆市场的主要参与者中,全球前五名厂商占有率超过70%。

而国内玻璃晶圆产能增长趋势也较为显著。预计在2024年至2026年期间,国内将拥有超过160万片/月的设计产能。

近两年,一些国内公司正在为先进封装而设计的TGV产品进入送样到试量产的阶段。例如,上文提到的沃格光电和云天半导体。

沃格光电是国内玻璃基板领先企业,是国内少数掌握TGV技术的厂家之一,具备行业领先的玻璃薄化、TGV、溅射铜以及微电路图形化技术,拥有玻璃基巨量微米级通孔的能力,最小孔径可至10μm,厚度最薄50μm,线宽线距小至8μm。

厦门云天半导体也成功开发了先进TGV激光刻蚀技术,面向应用MEMS、Fluidic、PCR、Inkjet、CPO。基于玻璃成孔理论研究和工程实践,可以在50-500μm厚的玻璃上形成孔径7μm的玻璃通孔/盲孔,具有较好的表面和孔内粗糙度、孔型圆度。

此外,包括赛微电子、成都迈科、三叠纪、五方光电、帝尔激光、苏州甫一电子、蓝特光学、苏州森丸电子等在内的国内厂商也在玻璃基板和TGV领域展开深入研究,并取得一定的成果和突破。

这表明了国内在半导体封装领域的发展和创新,以及对玻璃基板技术的积极探索和应用。随着这些技术的成熟和应用的推进,国内半导体产业有望在未来取得更大的发展成果,并在全球市场上发挥更加重要的作用。

值得注意的是,玻璃基板产业需要走合作路线,不是一个“单打独斗”就能胜出的投入。

英特尔与著名玻璃加工公司LPKF和德国玻璃公司Schott合作,致力于玻璃基板的商业化。还与宾夕法尼亚州立大学领导了一项全国性的努力,有十多所著名大学和材料、零部件和设备公司在玻璃基板研究方面进行合作。

而三星组建的半导体玻璃基板研发联盟,也是三星电机首次与三星电子和三星显示器等电子元件子公司一起进行玻璃基板研究。有分析称,三星电子预计将掌握半导体和基板相结合的专业知识,而三星显示器预计将承担玻璃加工等角色,预计三星电机将通过与联盟最大限度地发挥研发协同效应,但玻璃基板生态系统将如何发展还有待观察。

英特尔、三星等掀起玻璃基板浪潮,促使整个供应链也积极努力,头部厂商的入局肯定能加速技术实现的进程。但这需要所有的供应链厂商合力,才能逐步克服相关的挑战。

作为国内玻璃基板行业的佼佼者,沃格集团副总裁,研究院院长张迅也向笔者表示,每个行业建设商业生态系统都需企业结伴同行。比如在产业发展初期,最需要的是资金。对于创业者而言,需要对自己的技术有信念,勇于推销自己的产品,吸引政府或头部公司对新型技术投入资源。另外,需要各家公司联合起来,制定行业标准,规范生产过程,简化开发周期,降低生产成本,增强质量保证,便于下游企业的使用。

总的来说,玻璃芯基板的良性发展需要产业链上下游建立一个完整的生态系统。从材料端层层向下到制程端、设备端等,都需要革新。材料选择、制程工艺的选择、自动化传输、结构堆栈的设计这些都会影响最后的良率,供应链需进行一番整合,才有办法达成量产的可能性。

从当前行业进展来看,封装基板要过渡到玻璃基板,预计还需要一些时间。


结语


综合来看,具有更密集布线和更高信号性能的玻璃基板,在先进封装中受到关注。

虽然仍存在诸多挑战,如堆积、应力和处理问题,以及缺乏可靠性数据等,但其无与伦比的平整度和热性能为下一代紧凑型高性能封装提供了基础,其潜在优势让这些挑战和复杂性变得黯然失色。

随着对更紧凑和复杂设备的需求日益增长,玻璃基板或将在未来发挥重要作用。

从行业进展来看,英特尔深潜十年、SK已在美国建厂并准备量产,日本企业DNP也在加快事业的步伐。最近,三星、LG也正式进军,加上国内相关企业的积极布局,点燃了“玻璃基板”市场的新竞争。

虽然英玻璃基板的出现让大家感到震撼,但从业界的步伐看来,这个技术离量产还有一段时间。在短时间内,芯片基板市场的主流还依旧会是有机材料,毕竟技术迭代完成商业化转身也需要一个过渡时期,技术成本、良率等都是厂商需要解决的问题。

张迅坦言:“每项技术的落地都需要天时、地利、人和。但就目前市场发展形式而言,越来越多的头部公司、科研单位关注到了玻璃基板的性能优势,并投入到研发当中。所以我们相信随着各家技术的创新更迭,距离玻璃基板的爆发已经越来越近。”

有预测称,一旦实现玻璃基板的规模商业化,其将成为基板行业新的游戏规则改变者。

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