在“摩尔定律”(半导体芯片的晶体管密度每24个月翻一番)逐渐失效的时代，当谈到芯片设计的下一步发展时，人们关注的焦点是填充更多的核心，提高时钟速度，缩小晶体管和3D堆叠，很少考虑承载和连接这些组件的封装基板。玻璃基板的应用将为芯片技术带来革命性的突破，并可能成为未来芯片发展的关键方向之一。
玻璃基板是什么？
芯片基板是用来固定晶圆切割的晶片。（Die），对于封装的最后一步的主角来说，基板上固定的晶片越多，整个晶片的晶体管就越多。自20世纪70年代以来，芯片基板材料经历了两次迭代。起初，晶片是由引线框架固定的。20世纪90年代，陶瓷基板取代了引线框架，但现在最常见的是有机基板。
有机材料基板加工难度小，可以高速传输信号，一直被认为是芯片领域的领导者。但是有机材料基板也有一些缺点，就是与芯片的热膨胀系数差异太大。在高温下，芯片和基板之间的连接很容易断开，芯片会被烧坏。
芯片温度需要通过热节流仔细控制，这意味着芯片只能在有限的时间内保持最高性能，然后以较慢的速度降低温度。因此，有机基板的尺寸受到很大限制，基板的材料选择在有限的尺寸下容纳更多的晶体管非常重要。
玻璃基板在这一背景下应运而生。FRP具有优良的机械、物理和光学特性，可以构建更高性能的多芯片SiP，将50%的Die放在芯片上。相比之下，玻璃基板具有超低平面度(极平)等独特的性能。、更好的热稳定性和机械稳定性:由于玻璃材料非常光滑，可以提高光刻的焦点深度。在相同面积下，开口数量远高于有机材料，玻璃通孔（TGV）它们之间的间隔可以小于100微米，这可以直接使晶片之间的连接密度提高10倍；另外，FRP的热膨胀系数更接近晶片，较高的温度耐受性可使变形减少50%％，可降低断裂风险，提高芯片可靠性。这一优点使玻璃基板成为下一代高密度封装的理想选择。
与传统有机基板相比，玻璃芯基板的厚度可以减少一半左右。玻璃基板不仅功耗更低，而且信号传输更快，有望为服务器和数据中心的大型耗电芯片带来速度和功耗优势。玻璃通孔现在已经成功应用于玻璃基板。与过去相比，新一代处理器将在更小的体积内实现更多的组件，从而提高设备的紧凑性和性能。
有机型基板与玻璃基板的对比
玻璃基板易碎性、缺乏与金属线的附着力和通孔填充的均匀性也给制造过程带来了很大的挑战:选择合适的玻璃基板材料，保证其与芯片材料的兼容性是一个挑战，涉及材料热膨胀系数、机械性能、介电性能的匹配；玻璃基板上的连接技术需要高可靠性和稳定性。为了保证芯片与外部电路的连接质量；与传统的塑料封装相比，玻璃基板封装的制造成本可能更高。如何保证大规模生产中的一致质量和性能也是一个需要解决的问题。
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，因此玻璃基板的特性非常适合Chiplet。
与硅相比，玻璃的高透明度和不同的反射系数也给检测和测量带来了困难。玻璃上很多不透明或半透明材料的测量技术都不是很有效，可能会导致信号失真或丢失，影响测量精度。更重要的是，玻璃基板包括必要的工具和供应能力，需要建立一个可行的商业生产生态系统。
新宠在芯片领域
虽然仍然存在许多挑战和缺乏可靠性数据，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，玻璃基板作为下一代芯片的重要技术的潜力不容忽视。
用玻璃材料代替有机基板似乎是行业共识，或者至少是未来非常重要的技术路径。随着有机基板逐渐达到能力极限，各大科技巨头都在尽力而为，从英特尔的第一次进入，到三星、苹果等企业。
早在十年前，英特尔就开始寻找真正的有机基板替代品，一种可以与大型芯片完美匹配的基板，并试图在亚利桑那州的CH8工厂生产玻璃基板。作为封装基板领域的探索引领者，英特尔于2023年9月推出了一款功能齐全的基于下一代先进封装的玻璃基板测试芯片，计划于2030年批量生产。该芯片采用75微米玻璃通孔，纵横比为20:核心厚度为1毫米。
英特尔的新技术不仅停留在玻璃基板的层面，还引入了Foveros Direct(一种高级封装技术，具有直接铜对铜键合功能)，是一种可以共同包装光学元件的技术。（CPO）利用光学传输的方式，通过玻璃基板设计增加信号，并与康宁合作，通过CPO技术集成电光玻璃基板，探索400G及以上的集成光学解决方案。
英特尔与设备材料合作伙伴密切合作，与玻璃加工厂LPKF和德国玻璃公司Schott一起致力于玻璃基板的产品化。此外，英特尔还率先建立了大多数主要的EDA和IP供应商、云服务提供商和IC设计服务提供商的生态系统。英特尔说:“现在是时候齐心协力实现封装领域的下一次转型了。
玻璃基板可以给英特尔带来巨大的竞争飞跃，可以看出它已经添加到最新的路线图产品中。英特尔正朝着2030年将1万亿个晶体管集成在单个封装上的目标前进，玻璃基板将是推动这一目标着陆的有力支撑。
自然，三星无法直视英特尔玻璃基板业务，最终在今年宣布加快玻璃基板芯片封装研发。三星集团子公司三星电机于2024年3月宣布与三星电子和三星显示器联合成立R&D团队（R&D），三星电子有望专注于半导体和基板的集成，而三星显示器将在尽可能短的时间内开发玻璃基板，并将其商业化，从而处理与玻璃加工相关的方面。
三星电动机的玻璃基板
建立“新军团”加码研发，足以看出三星对玻璃基板的重视。事实上，三星电机已经在CES上宣布计划在2025年生产样品，并在2026年大规模生产玻璃基板，这比英特尔更快实现商业化。在这个技术领域，除了英特尔和三星，还有很多强大的竞争对手。
- 3月25日，LG Innotek还宣布开发进入玻璃基板，首先实现半导体基板是他们的商业目标。CEO在回答半导体玻璃基板业务发展问题时表示:“我们半导体基板的主要客户是美国的一家大型半导体公司，他们对玻璃基板非常感兴趣。当然，我们正在为此做准备。”
- 日本DNP公司展示了玻璃基板的新开发成果，其示意图甚至完全从封装中省略了细距载板，暗示这部分可能不再需要。根据介绍，使用玻璃基板可以实现更精细的间距，因此可以实现极其密集的布线，因为它比较硬，而且不容易因高温而膨胀。DNP表示，相信玻璃将在高端芯片封装中取代树脂，如倒装芯片球格阵列，并提出了2027年大规模生产TGV玻璃基板的目标。
- 日本Ibiden作为世界上最大的基板供应商，也在去年10月宣布将玻璃基板作为一项新业务进行研发。据知情人士透露，Ibiden目前正处于探索半导体封装玻璃芯基板技术的阶段。
- 去年，SK集团旗下的Absolics又投资了6亿美元，计划在乔治亚州科文顿建设一个玻璃基板工厂，月产能达到4000元。Absolics表示，随着微处理性能的提高，半导体行业正在积极使用异构封装，但现有的半导体载体板必须通过中间载体板连接到半导体芯片，这种芯片被称为硅中介层，而内置无源元件的玻璃载体板可以在同样的尺寸下集成更多的芯片，其功耗也降低了一半。
英特尔和三星的积极部署，可以理解为他们面对台积电的一大战略。目前，台积电在先进技术领域仍处于领先地位，而台积电CoWoS在先进封装领域实力雄厚，专利壁垒较高。除了在技术层面加紧布局外，英特尔和三星还需要在先进的封装领域寻找追赶甚至超越的新路径，玻璃基板已经成为最佳的“跳板”。虽然CoWoS/EMIB的需求无法在最高水平上替代，但它们可以提供比目前的有机基板更好的信号性能和更密集的布线。
有业内专家表示，虽然台积电对玻璃基板没有相关动作，但也要密切关注。台积电在CoWoS领域火力全开，先后获得大厂订单享受红利。因此，他们并不急于在玻璃基板上投入巨资，他们将继续沿着现有路径升级迭代，以保持领先地位。台积电一旦觉得时机成熟，就会大大加码。
AI高算力需求成为引爆点
玻璃基板不仅是材料的创新，也是一场全球性的技术竞赛。玻璃基板可能已经成为各国共同完成的新领域。除了基板制造商，它还将吸引全球IT设备制造商和半导体企业。玻璃基板有望应用于人工智能、高性能存储和大型高性能计算(基于光电子的计算和射频、硅光集成和高带宽存储器)、6G通信领域。
ChatGPT、Sora完全引爆了人工智能，对数据中心和传输效率提出了更高的要求，特别是对低功耗、高带宽的光模块。没有Cowoss，高算力Chiplet芯片是不可或缺的。、先进的包装平台，如FOEB，AI芯片尺寸/包装基板越来越大，玻璃基包装被提上日程。未来，AI芯片将成为每个家庭抢占的高地。玻璃技术将成为提高效率和降低成本的翘板。它用于应用和工作负载，需要更大的形状包装(即数据中心、人工智能和图形)和更高的速度功能。预计玻璃基板可以构建性能更高的多芯片系统级封装。（SiP）。
英伟达指出，AI所需的网络连接带宽将激增32倍，继续使用传统光模块将导致成本翻倍，功耗增加20-25%。共封装光学技术集成了硅光模块和CMOS芯片的封装，利用玻璃基板从玻璃基板的边缘插入互联网，有望降低50%的现有可插入光模块结构的功耗，成为满足AI高计算能力需求的高效能比解决方案。
值得注意的是，从目前的行业进展来看，封装基板需要一些时间才能过渡到玻璃基板。玻璃芯基板的良性发展需要在产业链上下游建立一个完整的生态系统，从材料端到工艺端、设备端，都需要创新。材料选择、工艺选择、自动传输、结构堆栈设计都会影响最终的良率。供应链需要整合才能实现大规模生产的可能性。
在短时间内，芯片基板市场的主流仍将是有机材料。毕竟商业化转型的技术迭代需要一个过渡期，但可以肯定的是，芯片基板舞台上有机材料的重要性将逐渐被玻璃取代，未来几年玻璃和有机基板将共存。据预测，玻璃基板一旦实现规模商业化，将成为基板行业游戏规则的新变革者。
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