玻璃基芯片先進(jìn)封裝技術(shù)會(huì)替代Wafer先進(jìn)封裝技術(shù)嗎

玻璃基芯片封裝技術(shù)會(huì)替代Wafer封裝技術(shù)嘛？針對(duì)這個(gè)話題，我們要先對(duì)玻璃基封裝進(jìn)行相關(guān)了解，然后再進(jìn)行綜合對(duì)比，最后看看未來(lái)都有哪些市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景以及實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)；

隨著未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)高算力需求驅(qū)動(dòng)封裝方式的演進(jìn)，2.5D/3D、Chiplet等先進(jìn)封裝技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。

傳統(tǒng)有機(jī)基板在先進(jìn)封裝中面臨晶圓翹曲、焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題、封裝散熱等問(wèn)題，硅基封裝晶體管數(shù)量即將達(dá)技術(shù)極限。

相比于有機(jī)基板，玻璃基板可顯著改善電氣和機(jī)械性能，能滿足更大尺寸的封裝需求，是未來(lái)先進(jìn)封裝發(fā)展的重要方向?，F(xiàn)有玻璃在半導(dǎo)體中的技術(shù)應(yīng)用：

未來(lái)玻璃基在半導(dǎo)體先進(jìn)封裝中的技術(shù)應(yīng)用展望：

從上圖來(lái)看激進(jìn)的玻璃基板技術(shù)路圖可能打破我們不敢預(yù)知的想象：

大板級(jí)封裝微細(xì)間距從20/15μm（2023/2024），進(jìn)步10/5μm（2026/27）進(jìn)入3/2μm（2030年）；晶圓級(jí)微細(xì)間距從10/8μm（2023/2024），進(jìn)步5/4μm（2026/27），進(jìn)入2/1μm（2030年），適應(yīng)下一代HBM標(biāo)準(zhǔn)的更快傳輸速度。研發(fā)試驗(yàn)上的微細(xì)間距突破亞微米（2025）；

玻璃片/板的厚度從700-500μm(2023/2024)下降至300-100μm(2028/2030)

打孔直徑從15/10μm(2023/2024)下降至2到1μm(2026/27)至亞微米（2028）以下；

每510X515mm的面板上打孔數(shù)量由10/20萬(wàn)個(gè)（2024）提升至1000萬(wàn)個(gè)（2030）。每300X300mm的晶圓片打孔數(shù)量由數(shù)萬(wàn)（2024）提升至300萬(wàn)個(gè)（2030）。

深徑比從標(biāo)準(zhǔn)的20/10:1（2023/2024）提升到50/30:1（2030）；目前研發(fā)試驗(yàn)上可達(dá)到100/150:1。

取代傳統(tǒng)樹(shù)脂基板的70x70mm封裝尺寸，玻璃基板封裝尺寸更大適用未來(lái)高端服務(wù)器100x100mm（2025/2026）-150x150mm/200x200mm（2030前）

玻璃基+復(fù)合材料將成為AI多芯片系統(tǒng)級(jí)封裝的主力。玻璃基占比由15%(2023/2024)提升到30%-50%以上（2028/2030），推動(dòng)新的玻璃復(fù)合基材迭代。傳統(tǒng)的有機(jī)基板或被替代。

經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證玻璃基板可運(yùn)用于2.5D/3D封裝、扇出晶圓級(jí)封裝（FOWLP）、嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列（eWLB）、晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）和玻璃芯片（COG）等先進(jìn)封裝技術(shù)，有望在AI和HPC等領(lǐng)域中先應(yīng)用。

我們從材質(zhì)，智造，環(huán)保以及應(yīng)用特性等方面進(jìn)行綜合分析

由上可見(jiàn)玻璃作為一種材料，在多個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)中被廣泛研究和集成，代表了先進(jìn)封裝材料選擇的重大發(fā)展，與有機(jī)和陶瓷材料相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。與多年來(lái)一直作為主流技術(shù)的有機(jī)基板不同，玻璃具有卓越的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和電氣性能。

玻璃芯基板結(jié)合上方、下方的布線層以及其它輔助材料，共同制造而成的基板，可完美解決當(dāng)前有機(jī)基板的諸多短板。據(jù)英特爾介紹，玻璃基板可減少50%圖案失真，布線密度可實(shí)現(xiàn)10倍提升，可改善光刻的焦距和深度，具備出色的平整度。因此，玻璃基板能夠滿足高性能、高密度AI芯片對(duì)于封裝的需求，機(jī)械性能的改進(jìn)使得玻璃基板能夠提高超大尺寸封裝的良率。此外，玻璃基板還為工程師提供了更高設(shè)計(jì)靈活性，允許將電感、電容嵌入到玻璃當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)良的供電解決方案，降低功耗。

現(xiàn)在玻璃基封裝市場(chǎng)狀況，2024年9月，臺(tái)積電宣布將大力開(kāi)發(fā)FOPLP（扇出型面板級(jí)封裝）技術(shù)，CoWoS是臺(tái)積電的 2.5D 封裝技術(shù)，其中 CPU、GPU、I/O、HBM 等芯片垂直堆疊在中介層上。Nvidia 的 A100 和 H100 以及英特爾的 Gaudi 都是使用這項(xiàng)技術(shù)制造的。玻璃基板成為其關(guān)鍵戰(zhàn)略要素。英特爾宣布將在 2030年大規(guī)模生產(chǎn)玻璃基板，并已在亞利桑那廠投資10億美元建立玻璃基板研發(fā)線及供應(yīng)鏈。三星電機(jī)(Samsung ElectroMechanics)宣布預(yù)期目標(biāo)是2025年生產(chǎn)原型，2026年面向高端SiP開(kāi)始生產(chǎn)玻璃基板。京東方、臺(tái)積電、群升工業(yè)、安普電子等也在積極探索玻璃基板技術(shù)。先進(jìn)封裝產(chǎn)能擴(kuò)張速度難以跟上AI芯片爆發(fā)式增長(zhǎng)的需求，使用玻璃基板的先進(jìn)封裝是優(yōu)秀解決方案。

玻璃基板的市場(chǎng)前景

玻璃材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。作為封裝領(lǐng)域引入的重要革新，玻璃基板提供與 CoWoS S 結(jié)構(gòu)中的硅中介層類似功能的中介層，使重新分布層（RDL）和玻璃通孔(TGV)可直接構(gòu)建在玻璃面板上，有望取代 ABF 載板中的 FC-BGA 基板；在共封裝光學(xué)器件（CPO）中集成玻璃波導(dǎo)和 TGV，實(shí)現(xiàn)更高的互連密度，改進(jìn)功率傳輸和信號(hào)路由;在 Mini/Micro LED顯示技術(shù)中作為背板材料，因其導(dǎo)熱性能好，熱穩(wěn)定性和物理變形小，平整性突出，降低工藝難度提升成品率;玻璃在無(wú)源器件制造中的應(yīng)用也日益廣泛，可成為廣泛傳感器和 MEMS 封裝應(yīng)用的高度通用基板。

全球IC封裝基板市場(chǎng)正在快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2029年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到315.4億美元。玻璃基板作為IC封裝基板的較新趨勢(shì)，預(yù)計(jì)在未來(lái)5年內(nèi)滲透率將達(dá)到50%以上。此外，全球玻璃基板市場(chǎng)空間廣闊，預(yù)計(jì)到2031年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至113億美元。

小編認(rèn)為未來(lái)玻璃基能夠?qū)崿F(xiàn)大面積生產(chǎn)，具備板級(jí)封裝載板技術(shù)能力，后續(xù)將實(shí)現(xiàn)單邊更大尺寸生產(chǎn)能力，在存儲(chǔ)、cpu、gpu芯片、cpo光模塊等半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域具備降功耗、提升芯片性能以及降本優(yōu)勢(shì)，為全球半導(dǎo)體向先進(jìn)制程發(fā)展以及AI算力的提升提供了重要載板材料解決方案。

目前，國(guó)內(nèi)從事先進(jìn)封裝的玻璃基板工廠大多還未進(jìn)入量產(chǎn)階段，多數(shù)仍處于研發(fā)階段。他們正在解決玻璃與金屬層的結(jié)合力問(wèn)題、填孔問(wèn)題，以及未來(lái)更高層數(shù)的可靠性問(wèn)題。預(yù)計(jì)到2025年底或2026年，這些工廠才能達(dá)到量產(chǎn)水平。在此之前，大部分工作仍將集中在研發(fā)上。也面臨著如下幾大技術(shù)挑戰(zhàn)：

四大關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)玻璃基板技術(shù)雖然具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，但要實(shí)現(xiàn)其在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，仍需克服眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。

高精度通孔

玻璃通孔成孔技術(shù)是制約TGV發(fā)展的主要困難之一。 TGV 通孔的制備需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求，如何制備出高深寬比、窄節(jié)距、高垂直度、高側(cè)壁粗糙度、低成本的玻璃微孔一直是多年來(lái)各種研究工作的重心。目前主流的玻璃通孔加工成型方法有噴砂法、聚焦放電法、等離子刻蝕法、激光燒蝕法、電化學(xué)放電法、光敏玻璃法、激光誘導(dǎo)刻蝕法等。綜合比較各種玻璃通孔制造技術(shù)，激光誘導(dǎo)刻蝕法具有低成本優(yōu)勢(shì)，有大規(guī)模應(yīng)用前景。

然而，盡管單個(gè)或少量孔的制作可能較為簡(jiǎn)單，但當(dāng)數(shù)量增加到數(shù)十萬(wàn)個(gè)時(shí)，難度會(huì)以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。這也是許多TGV未能達(dá)到預(yù)期效果的原因之一。此外，如何測(cè)試每個(gè)通孔的良率或尺寸精度，也是我們需要考慮的問(wèn)題。目前來(lái)看，除了玻璃基板的先進(jìn)板廠在研發(fā)之外，進(jìn)程比較快的是那些原本從事光電或玻璃相關(guān)工藝的工廠。

高質(zhì)量金屬填充

TGV 孔徑較大，且多為通孔，電鍍時(shí)間長(zhǎng)、成本高；另一方面，與硅材料不同，由于玻璃表面平滑，與常用金屬（如 Cu）的黏附性較差，容易造成玻璃襯底與金屬層之間的分層現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬層卷曲甚至脫落等現(xiàn)象。 目前，金屬填孔TGV主要有兩種工藝：一是銅漿塞孔工藝，二是電鍍工藝。這兩種工藝在應(yīng)用場(chǎng)景、材料成本和性能上存在差異。選擇何種工藝取決于孔徑、深寬比以及對(duì)電阻率和電導(dǎo)率的要求。值得一提的是，銅漿塞孔技術(shù)相較于電鍍工藝具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但可能在電導(dǎo)率方面存在較大劣勢(shì)。

高密度布線

另一個(gè)制約玻璃基板技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素是高密度布線。盡管有不少公司能夠較好地完成玻璃基板的填孔或TGV工藝，但真正挑戰(zhàn)在于完成玻璃通孔的制備后，如何通過(guò)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣連接，將其制成一個(gè)完整的玻璃基板或玻璃基interposer，并且在有實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)實(shí)現(xiàn)高密度布線。 傳統(tǒng)的工藝方法可能包括半加成法，以及將現(xiàn)有的有機(jī)基板電路制作模式應(yīng)用到玻璃基板上，即將有機(jī)的BT層轉(zhuǎn)化為玻璃級(jí)別的層以提供支撐。其他部分則采用完整的有機(jī)基板電鍍層制作方法，最后通過(guò)進(jìn)一步的壓合或其他工藝進(jìn)行整合，這可能是板廠常用的一些手段。 但由于半加成工藝法在線寬小于5μm的時(shí)候會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，如在窄間距內(nèi)刻蝕種子層容易對(duì)銅走線造成損傷且窄間距里的種子層殘留易造成漏電。針對(duì)表面高密度布線也有不同工藝路線的探索。 至于先前提到的專注于玻璃機(jī)的LED場(chǎng)景的公司，它們可能會(huì)在玻璃機(jī)的TGV和填孔工序完成后，應(yīng)用晶圓中道工藝，包括RDL工藝和CTT工藝來(lái)進(jìn)行制作。海外還有一種新的技術(shù)，即多層RDL直接?xùn)虐遛D(zhuǎn)移技術(shù)。盡管這一技術(shù)目前尚未得到廣泛應(yīng)用，但也是未來(lái)的一個(gè)技術(shù)方向之一。 此外納米壓印，尤其是在晶圓制造方面，佳能已取得了一定的應(yīng)用成果。未來(lái)，業(yè)界期望能夠在玻璃基板電路的制作上找到更多應(yīng)用場(chǎng)景。

鍵合技術(shù)

玻璃基板關(guān)鍵技術(shù)之四為鍵合技術(shù)，目前Chiplet的D2W及Flip Chip鍵合工藝主要分為三大類。

Reflow回流焊鍵合工藝：回流焊爐可以批量焊接產(chǎn)品，并且隨著技術(shù)水平的提升，bump pitch>80μm已不再是難題。但是缺點(diǎn)也很明顯，熱應(yīng)力導(dǎo)致的翹曲極大，回流焊過(guò)程中高溫和低溫的波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生較大變形。尤其是當(dāng)芯片面積接近基本面積時(shí)，整個(gè)焊盤也會(huì)變得極大。這也是為什么在做更大密度的先進(jìn)封裝芯片集成時(shí)，必須使用更大尺寸的封裝，因?yàn)橛袡C(jī)基板的翹曲極限無(wú)法滿足PCB板的間隔要求。因此需要用玻璃基板來(lái)代替有機(jī)基板。

TCB熱壓焊鍵合工藝：以100°C/s的升溫速率和-50℃℃/s的降溫速率對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行快速焊接，bump pitch>10μm。

LAB激光輔助鍵合工藝：產(chǎn)生尖銳且均勻的激光束，能夠以極高的升溫速度選擇性地加熱目標(biāo)區(qū)域，通常焊接時(shí)間在1s內(nèi)。bump pitch>40μm。

玻璃基板產(chǎn)業(yè)鏈包括生產(chǎn)、原料、設(shè)備、技術(shù)、封裝、檢測(cè)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，上游為生產(chǎn)、原料、設(shè)備環(huán)節(jié)。其中上游原料、生產(chǎn)、設(shè)備環(huán)節(jié)最為有望受益。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)玻璃基板生產(chǎn)廠商有望在高世代領(lǐng)域占一席之地。

鉆孔設(shè)備環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)開(kāi)始研發(fā)LIDE技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)鉆孔設(shè)備技術(shù)突破。

顯影設(shè)備環(huán)節(jié)，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展及玻璃基板需求推動(dòng)，對(duì)激光直接成像設(shè)備的需求持續(xù)增長(zhǎng)。

電鍍?cè)O(shè)備環(huán)節(jié)，玻璃基板技術(shù)不斷成熟，給電鍍?cè)O(shè)備升級(jí)帶來(lái)巨大商機(jī)。

最后小編認(rèn)為芯片先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展，無(wú)論是Wafer封裝還是陶瓷封裝，還是本文分析的玻璃基封裝，無(wú)論是正裝，倒裝，堆疊，混合鍵合等封裝智造，在未來(lái)都將交互共存，玻璃基也是承載chiplet（芯粒）的一個(gè)電性鏈接載體，故不能替代只能共存實(shí)現(xiàn)想要的芯片功能，只是從芯片功能以及工藝制造產(chǎn)出將進(jìn)行細(xì)分，玻璃基板作為半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的新興材料，其獨(dú)特的物理化學(xué)屬性和性能優(yōu)勢(shì)，使其在芯片封裝中展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用前景。隨著技術(shù)成熟和市場(chǎng)接受度的提高，玻璃基板有望在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)變化。由于缺乏既定的玻璃基板行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同供應(yīng)商的性能存在差異。該玻璃基先進(jìn)封裝技術(shù)尚屬新興技術(shù)，因此缺乏足夠的長(zhǎng)期可靠性數(shù)據(jù)。需要進(jìn)行更多的加速壽命測(cè)試，才能確保將這些封裝用于高可靠性應(yīng)用。國(guó)內(nèi)玻璃基先進(jìn)封裝智造技術(shù)需盡快布局完善與創(chuàng)新，讓中國(guó)玻璃基產(chǎn)業(yè)鏈的上游原料、生產(chǎn)、設(shè)備等環(huán)節(jié)盡早受益，盡早實(shí)現(xiàn)芯片自主與超車。