玻璃基板深度報告：玻璃基板性能優越，下一代先進封裝首選

⚫AI 芯片算力需求提升，玻璃基板替代登上舞臺。AI 應用的複雜性增加，面向AI 等領域的高密度計算、機器學習、並行計算及 HPC 等應用的需求，對芯片也提出了更高的要求。使用玻璃基板的先進封裝是潛在解決方案之一。2023年 9 月，英特爾推出行業首個玻璃基板先進封裝計劃，宣佈在 2030 年之前面向先進封裝採用玻璃基板，三星等廠商也在積極跟進。同時，玻璃材料應用領域廣泛，包括替代 CoWoS-中介層/FC-BGA 基板，共封裝光學器件集成、Mini/Micro LED 背板材料、無源器件和傳感器封裝領域。

⚫玻璃基板各項物理性質出衆。玻璃基板具有較高的表面平整度和低粗糙度，有利於高密度 RDL 佈線。化學穩定性出色，能有效抵抗濕氣、酸鹼等環境侵蝕。玻璃基板能有效對抗封裝過程中的翹曲問題。同時其具備優越電氣性能，高電阻率和低介電常數可減少傳輸損耗，保障互聯密度和信號的完整性。此外，玻璃基板封裝的封裝尺寸變化帶來顯著成本效益。矩形芯片與圓形硅中介層的不匹配將導致晶圓邊緣出現浪費，並在芯片尺寸變大時進一步惡化使用效率。採用大規格的矩形玻璃作為載體或最終作為中介層，能夠在一個載體或中介層中容納更多芯片，可顯著提高先進封裝的效率。

⚫TGV 技術是實現玻璃基板垂直電氣互連的關鍵技術。它涉及到在玻璃基板上形成貫穿孔洞，這對於電子設備的輕薄化和功能集成至關重要。TGV 的工藝流程中難點環節在於通孔和填孔兩大環節。TGV通孔技術難點已被攻克。TGV通孔的製備需要滿足高速、高精度、窄節距、側壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。激光誘導刻蝕是目前最有大規模使用前景的工藝。激光誘導蝕刻快速成型技術使用超快激光對玻璃進行定向改質，再經后續化學刻蝕將玻璃的改質通道放大形成通孔，可實現高深寬比玻璃深孔或溝槽的製作，具有各向同性刻蝕的優點。對於玻璃基板填孔過程，PVD 中的挑戰在於如何提高金屬層與玻璃表面的粘附性。

⚫玻璃基板先進封裝潛力被發掘，玻璃基板封裝產業鏈加速研發。在 IDM/封裝方面，英特爾宣佈將在 2030 年大規模生產玻璃基板，並已在亞利桑那廠投資10 億美元建立玻璃基板研發線及供應鏈，三星組建三星電子、三星顯示、三星電機統一戰線進軍玻璃基板研發；在芯片設計方面，AMD 正積極進行芯片產品導入玻璃基板測試；玻璃基板業務已經趨於成熟，康寧、旭硝子、肖特均具備高精度玻璃晶圓或基板供應能力；在激光通孔業務上，LPKF、Samtec 等廠商能夠提供成熟的激光通孔（TGV）解決方案。

1、玻璃基材成研究焦點、應用領域廣泛

AI 芯片算力需求提升，玻璃基板替代登上舞臺。AI 應用的複雜性增加，面向 AI等領域的高密度計算、機器學習、並行計算及 HPC 等應用的需求，對芯片也提出了更高的要求。例如 AMD 的新一代 EPYC 處理器支持高達 384 線程，核心數最高可達 192 個，其中配置了 16 個"Zen 5"CCDs（核心複合芯片）。該 CCD 芯片製造工藝先進，使用了臺積電的 3 納米工藝，而中央 I/O 芯片（IOD）則採用了 4 納米工藝，顯示出 AI 時代背景下對芯片更高製程的需求。隨着 AI 算力需求的逐漸提高，硬件電路高度複雜化，傳統 PCB 有機基板和 TSV 技術在未來將可能成為制約 AI 芯片等高性能算力芯片生產的短板。

英特爾引爆熱點，玻璃基板技術成行業焦點。2023 年 9 月，英特爾推出行業首個玻璃基板先進封裝計劃，宣佈在 2030 年之前面向先進封裝採用玻璃基板。英特爾預計到 2030 年末，半導體行業可能會達到其使用有機材料在硅封裝上縮放晶體管的極限。隨着對更強大計算的需求增加，半導體行業進入在封裝中使用多個「小芯片」的異構時代，提高信號傳輸速度、功率傳輸、設計規則和封裝基板的穩定性將是至關重要的。與目前使用的有機基板相比，玻璃基板具有優異的機械、物理和光學性能，可以在封裝中連接更多的晶體管，提供更好的可擴展性，並組裝更大的小芯片複合體（SoC，系統級封裝）。玻璃基板技術或成為幫助英特爾在一個封裝上擴展 1萬億個晶體管目標的關鍵。今年 5 月初，三星電機(Samsung Electro Mechanics)宣佈預期 2026 年面向高端 SiP 開始生產玻璃基板。在 1 月的 CES 2024上，三星電機已提出，今年將建立一條玻璃基板原型生產線，目標是 2025 年生產原型，2026 年實現量產。京東方、臺積電、羣升工業、安普電子等也在積極探索玻璃基板技術。先進封裝產能擴張速度難以跟上 AI 芯片爆發式增長的需求，使用玻璃基板的先進封裝是優秀解決方案。

玻璃材料應用領域廣泛。作為封裝領域引入的重要革新，玻璃基板提供與 CoWoS S 結構中的硅中介層類似功能的中介層，使重新分佈層（RDL）和玻璃通孔 (TGV)可直接構建在玻璃面板上，有望取代 ABF 載板中的 FC-BGA 基板；在共封裝光學器件（CPO）中集成玻璃波導和 TGV，實現更高的互連密度，改進功率傳輸和信號路由;在 Mini/Micro LED顯示技術中作為背板材料，因其導熱性能好，熱穩定性和物理變形小，平整性突出，降低工藝難度提升成品率;玻璃在無源器件製造中的應用也日益廣泛，可成為廣泛傳感器和 MEMS 封裝應用的高度通用基板。

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2、玻璃基板性能優越，下一代先進封裝首選

2.1、優秀天然屬性，成就理想基板材料

玻璃基板各項物理性質出衆。玻璃基板具有較高的表面平整度和低粗糙度，為微小尺寸半導體器件的製造提供了理想的平臺，有利於高密度 RDL 佈線。此外，玻璃化學穩定性出色，相比於有機材料吸濕性更低，能有效抵抗濕氣、酸鹼等環境侵蝕，保障封裝內元件的長期穩定性。

有效對抗翹曲問題，適合大尺寸封裝。大尺寸基板需承載高密度的芯片封裝，而芯片封裝過程中會伴隨大量熱量產生。在封裝堆疊時，硅芯片、環氧樹脂模塑料和有機 RDL 都具有不同的熱膨脹係數 (CTE)，這意味着當温度升高時，堆疊的組成部分可能會發生不同程度的膨脹。在成型、固化或脱粘過程中，這些材料界面處的應力可能會發生變化，導致堆疊翹曲，並可能導致分層或接頭/凸塊錯位。

玻璃基板的熱膨脹係數為 3-9ppm/K，與硅的 2.9-4ppm/K 接近，不易因封裝過程中產生熱量導致各層材料間形變程度不同而發生翹曲。同時其楊氏模量為 50-90GPA，明顯高於有機材料，抵抗形變能力更強。玻璃基板大尺寸穩定性以及可調節的剛性模量使其通孔密度是原先硅基板的 10 倍，提高芯片封裝密度。

優越電氣性能，減少傳輸損耗。玻璃是一種絕緣材料，相對介電常數僅約為硅片的三分之一。較低的介電常數意味着它具有較低的寄生電容，從而在傳輸過程中減少信號損失，因此玻璃中介層可以在高速傳輸過程中提供更好的功率效率或更好的信號完整性。此外，由於玻璃的高電阻率，相鄰互連之間的電流泄漏較小，因此與硅相比，玻璃材料的串擾或噪聲問題較小。隨着互連變得越來越精細和密集，玻璃基板能保障互聯密度和信號的完整性，滿足人工智能芯片封裝的需求。

封裝尺寸變化帶來顯著成本效益。所有芯片都是矩形的，而硅中介層是圓形的,這種不匹配可能會導致晶圓邊緣出現大量未使用的區域，並且當芯片尺寸變大時，晶圓區域的使用效率可能會惡化。若將 300mm 晶圓級封裝與 515x510mm 面板級封裝相比，矩形的面板級封裝芯片佔用面積比高到 93%，而晶圓級封裝則只有 64%。這幾何級別的差異，直接導致生產過程中生產速率的巨大差異。另外，根據 Yole報告，例如 FOWLP 技術面積使用率<85%，FOPLP 面積使用率>95%。因此採用大規格的矩形玻璃作為載體或最終作為中介層，能夠在一個載體或中介層中容納更多芯片，可顯著提高先進封裝的效率。具體推算從 200mm 過渡到 300mm 大約能節省 25%的成本，從 300mm 過渡到板級，則能節約 66%的成本。面板級封裝的成本與晶圓級封裝相比將會降低 66%。

2.2、TGV 是玻璃基板核心技術

TGV（Through Glass Via）技術是實現玻璃基板垂直電氣互連的關鍵技術。它涉及到在玻璃基板上形成貫穿孔洞，這對於電子設備的輕薄化和功能集成至關重要。對於先進封裝領域的各種應用，每片基板上通常需要應用數萬個玻璃通孔並對其進行金屬化，以獲得所需要的導電性，是制約量產的關鍵問題。TGV 的工藝流程包括前期準備、激光打孔、蝕刻處理、后續處理和質量檢測，其中難點環節在於通孔和填孔兩大環節。

TGV 通孔技術難點已被攻克。TGV 通孔的製備需要滿足高速、高精度、窄節距、側壁光滑、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噴砂法、聚焦放電法、等離子刻蝕法、激光燒蝕法、電化學放電法、光敏玻璃法、激光誘導刻蝕法等。其中激光誘導刻蝕優勢明顯，是目前最有大規模使用前景的工藝。激光誘導蝕刻快速成型技術（LIERP）使用超快激光對玻璃進行定向改質，再經后續化學刻蝕將玻璃的改質通道放大形成通孔，可實現高深寬比玻璃深孔或溝槽的製作，具備低成本優勢。

限制玻璃通孔應用的另一個技術難點是高質量的金屬填充。與 TSV （硅通孔）不同，TGV 孔徑較大，且多為通孔，電鍍時間長、成本高；另一方面，與硅材料不同，由於玻璃表面平滑，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象，導致金屬層捲曲甚至脱落等現象。主要的解決方案為 TGV 金屬實孔填充技術和 TGV 孔內電鍍薄層技術。前者通過物理氣相沉積（PVD）的方法在 TGV 盲孔內部沉積種子層，再自底向上電鍍，實現 TGV 的無縫填充，但對於高深寬比通孔來説，物理氣相沉積的設備和工藝過於昂貴。TGV孔內電鍍薄層技術採用通孔內電鍍薄層方案代替實心電鍍實現電學連接，在電性能方面，兩者的插入損耗差別較小，但薄層電鍍可以有效減小電鍍時間和電鍍成本。

2.3、全產業鏈加速研發，玻璃基板煥發新活力

玻璃基板先進封裝潛力被發掘，玻璃基板封裝產業鏈加速研發。在 IDM/封裝方面，英特爾宣佈將在 2030 年大規模生產玻璃基板，並已在亞利桑那廠投資 10 億美元建立玻璃基板研發線及供應鏈，三星組建三星電子、三星顯示、三星電機統一戰線進軍玻璃基板研發；在芯片設計方面，AMD 正積極進行芯片產品導入玻璃基板測試；玻璃基板業務已經趨於成熟，康寧、旭硝子、肖特均具備高精度玻璃晶圓或基板供應能力；在激光通孔業務上，LPKF、Samtec 等廠商能夠提供成熟的激光通孔（TGV）解決方案。

3、相關標的

國內玻璃基板封裝產業鏈完善。玻璃基板封裝廠商包括長電科技、京東方、通富微電、深天馬；玻璃基板提供商包括沃格光電、東旭光電、彩虹股份；激光設備廠商包括德龍激光、帝爾激光、大族激光、賽微電子、五方光電、藍特光學、雷曼光電；通孔填孔環節廠商為天承科技、微導納米；后道檢測環節廠商為賽騰股份。

4、風險提示

玻璃基板市場競爭格局加劇。新興玻璃基板市場國內外參與者眾多，有可能難以搶佔玻璃基板市場份額。

玻璃基板市場規模增長不及預期。玻璃基板成為繼續提升芯片集成度和效能的新路徑，如果玻璃基板未能如預期實現高滲透率，市場規模增長可能不及預期。

玻璃基板先進封裝技術進展不及預期。先進封裝對技術和工藝的要求越來越高，需要先進生產設備和研發資金的不斷投入，成本巨大，如未能準確把握市場需求或取得如期成果，容易在快節奏競爭中落后。來源：半導體在線

（轉自：今日半導體）