玻璃基板正在成為競爭前沿，從專利看關鍵技術創新趨勢

隨着人工智能(AI)和高性能計算(HPC)等領域的快速發展，對芯片性能的要求日益提高。在這一背景下，玻璃基板技術以其卓越的物理特性和先進的封裝潛力，逐漸成為半導體行業的新寵。美國政府的大力推進，尤其是近期芯片法案宣佈對Absolics等公司的資助，標誌着玻璃基板產業正迎來前所未有的發展機遇。

近兩年玻璃基板技術的不斷成熟，其在先進封裝領域的潛力逐漸被發掘。全球各大半導體公司，如英特爾和三星，都在積極佈局玻璃基板技術。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。三星則組建了三星電子、三星顯示、三星電機的統一戰線，進軍玻璃基板研發。此外，玻璃基板材料應用領域廣泛，還包括替代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等領域。如今，包括京東方、臺積電等越來越多頭部企業開始積極探索玻璃基板技術。

通過對近期先進封裝中玻璃中介層及核心基板相關專利的深入剖析，能夠一窺玻璃基板領域當下的研究熱點與發展方向。

一、玻璃基板專利格局

根據Knowmade的統計，當前用於先進封裝領域的玻璃中介層（Glass Interposers）和玻璃基板（Glass Core Substrates）相關專利超過300項，主要參與者包括英特爾、Absolics，這兩家企業合計申請了近半數專利，其余全球70余家實體合計申請了超過150項專利。

英特爾：在專利數量方面處於領先地位，擁有最多的專利申請，其專利組合涵蓋玻璃核心基板和玻璃中介層，展現出全面且均衡的佈局，在行業中處於技術創新的前沿位置。

Absolics：專注於玻璃核心基板領域，是英特爾在專利數量上最接近的競爭對手，凸顯其在該特定領域的研發投入和技術實力。

其他眾多實體：70多個實體合計持有當前全部相關專利的半數，但每個實體的專利持有量相對較少，呈現出高度分散的態勢。包括TOPPAN、康寧、日立、格羅方德、臺積電、三星、高通、Unimicron、京東方、華進半導體、廈門雲天、盛合晶微、通富微電、廣東佛智芯等，它們在玻璃基板產業的專利佈局中也佔據一定份額。從專利申請趨勢來看，英特爾早期積極佈局，從2004年起持續積累專利，但是在最近幾年開始激增。2019~2024年期間，眾多公司紛紛湧入。如Absolics（SK集團）專利申請量逐漸增加，三星、中國的盛合晶微、廈門雲天半導體等公司在這一時期嶄露頭角。

這表明玻璃基板產業的技術創新和知識產權競爭日益激烈，吸引了越來越多企業的重視和投入。

在新興競爭者中，三星、盛合晶微、廈門雲天半導體等公司在2019~2024年期間首次發表了眾多專利，並呈逐年上升趨勢，標誌着它們在玻璃基板技術研發方面的積極探索和創新成果且不斷加大研發投入，進一步豐富了行業的技術創新生態，推動了整個產業的專利競爭格局朝着多元化方向發展。

從地域分佈來看，英特爾和Absolics這兩家領先企業在專利佈局上具有廣泛的地域覆蓋範圍，均在美國、中國大陸、中國臺灣、韓國、日本和歐洲等地申請專利。這種全球化的專利佈局策略有助於它們在不同市場中保護自身技術創新成果，同時也反映出玻璃基板產業的國際化競爭態勢。

三星主要在美國、中國和韓國進行專利申請，重點關注其在亞洲和北美市場的技術保護和市場競爭優勢。

國內企業既有在國內國外均重點佈局的，也有集中在國內佈局的。例如盛合晶微專利申請集中於美國和中國，體現其對這兩個重要市場的重視以及在當地市場競爭中的戰略佈局。而廈門雲天目前專利申請幾乎都在中國國內，表明其在立足本土市場的基礎上，逐步積累技術實力和知識產權資產，為未來在更廣泛市場的拓展奠定基礎。

二、玻璃基板技術研究熱點

-玻璃基板、中介層在封裝層面的集成

從硅材料到玻璃材料，需要解決多項挑戰，這些也在專利申請中反映。包括在嵌入式芯片中，實現更薄的封裝；芯片到芯片的耦合方面，需要實現更高密度的互連；芯片/玻璃的混合鍵合；英特爾研究的EMIB等等。

其中，金屬化與連接技術創新是研究熱點之一。例如高縱橫比通孔（TGV）金屬化：針對TGV的高縱橫比特點，研發高效的金屬化工藝，確保通孔內部金屬填充均勻、無孔洞，提高電氣連接性能，降低信號傳輸損耗；金屬/玻璃粘附性提升：研究金屬與玻璃之間的粘附機制，通過表面處理或材料改進等方法，增強兩者之間的結合力，防止在封裝過程或產品使用過程中出現分層或剝離現象，提高產品的長期可靠性；混合鍵合技術（芯片/玻璃）：探索芯片與玻璃之間的混合鍵合方式，如直接 Cu/SiO₂鍵合，實現更緊密的連接，提高封裝密度，減少信號延迟，同時優化熱管理性能，為高性能計算和高密度封裝提供解決方案。

封裝架構的優化與功能提升是另一大熱點。例如嵌入式芯片（Embedded Die）：通過將芯片嵌入玻璃基板，實現更薄的封裝結構，減小封裝體積，提高產品的集成度，滿足電子產品小型化、輕量化的發展趨勢；芯片間耦合（D2D Coupling）：專注於增強芯片與芯片之間的連接性，開發高密度、高性能的互連技術，如採用微型凸塊（µbumps）或互連橋（interconnect bridge）等，實現更快速、更穩定的數據傳輸，提升系統整體性能；英特爾推出了多年的扇出嵌入式玻璃橋（Fan - out Embedded Glass Bridge，EMIB）：研究EMIB技術在玻璃基板上的應用，通過在玻璃基板中嵌入導電橋，實現芯片間的高效信號傳輸，同時優化封裝的散熱性能，提高產品的可靠性和性能表現。

此外，共封裝光子也是研究的熱點，英特爾有半數專利組合聚焦在光子的集成相關領域。還有提高成本效益的大尺寸面板級封裝，以及熱管理相關專利。

-玻璃基板、中介層的製造工藝或設計

涉及玻璃基板、玻璃中介層的設計和製造相關的專利，主要有缺陷控制（檢查質量的材料或程序）；薄玻璃基板強化方法；對準方法（基於玻璃透明度）；高AR通孔的金屬化、金屬/玻璃之間的粘合；TGV結構和製造；減少中介層內部的信號串擾；熱管理等等。

其中，製造工藝的改進是研究的熱點。包括表面處理技術創新：針對玻璃表面粗糙度和 TGV 高縱橫比帶來的挑戰，開發新型表面處理工藝，如直接在電介質上鍍銅（無需種子層），實現無孔洞的金屬通孔填充，提高金屬化質量和可靠性。同時，研究等離子體表面活化等技術，增強玻璃表面與金屬的反應活性，改善粘附性能；應力管理與翹曲控制：通過優化製造工藝參數或採用特殊結構設計，解決玻璃基板在製造和使用過程中的應力問題，降低翹曲變形風險。例如，在玻璃核心基板中形成空腔並嵌入硅橋中介層，利用玻璃和硅材料的特性組合，有效減少封裝基板的翹曲程度，提高產品的平整度和穩定性；預製組件與簡化組裝工藝：研發預製銅柱等組件，並探索與玻璃材料的高效組裝方法，如通過電化學沉積在硅基板上製造銅柱，然后與玻璃基板進行陽極鍵合，避免複雜昂貴的電鍍和化學機械拋光（CMP）步驟，同時集成鈍化層作為應力緩衝層，提高產品可靠性，降低生產成本。

熱管理和光學性能優化是另一大熱點。例如設計具有流體通道的玻璃核心基板，實現通過封裝基板的有效冷卻，而非僅依賴頂部芯片散熱，提高散熱效率，確保產品在高功率運行條件下的穩定性。同時，研究在TGV周圍設置導熱套管等設計，改善熱傳導路徑，避免因玻璃與銅的熱膨脹係數（CTE）不匹配導致的裂紋擴展，增強產品的熱可靠性。光學性能方面，利用玻璃的光學透明特性，優化玻璃基板的光學設計，如開發波導集成技術，實現光子集成電路（PIC）與電子芯片（EIC）在玻璃基板上的高效集成，提高光學信號傳輸效率和精度，為光子學應用提供更好的平臺支持。

三、關鍵技術挑戰及對應專利解決方案案例

-機械應力管理（翹曲問題）

玻璃材料與其他封裝材料（如硅芯片、有機封裝材料等）的熱膨脹係數差異較大，在封裝過程中的温度變化會導致不同材料之間產生不均勻的熱膨脹或收縮，從而引起封裝基板的翹曲變形。翹曲問題不僅影響封裝的精度和電氣連接性能，還可能導致芯片與基板之間的焊點疲勞、開裂，嚴重影響產品的可靠性和使用壽命。

專利解決方案

組合結構設計：三星（如CN118431173）的專利涉及玻璃基板與玻璃中介層的組合結構設計。通過優化兩者之間的組合方式，利用玻璃的低CTE和高剛性特性，有效減少了封裝基板的翹曲程度。

空腔與嵌入式結構應用：在玻璃核心基板中形成空腔，並嵌入硅橋中介層等組件。這種結構設計能夠在一定程度上補償不同材料之間的熱膨脹差異，通過調整結構內部的應力分佈，降低翹曲變形的風險，提高封裝結構的穩定性和可靠性。

-玻璃表面處理

玻璃表面的高粗糙度和TGV的高縱橫比給金屬化過程帶來了困難，傳統的金屬化工藝難以在這種表面上實現均勻、無孔洞的金屬沉積，影響電氣連接性能。玻璃光滑表面的粘附性較差，在與金屬層（如銅）結合時容易出現剝離或分層現象，降低了封裝結構的可靠性。此外，在封裝過程中，玻璃基板在工藝設備中的面板移動也會因粘附問題導致處理困難。

專利解決方案

直接鍍銅工藝創新：英特爾的專利（US20240213131）提出了直接在電介質上鍍銅的工藝，無需種子層。通過將玻璃表面形成的 - OH 鍵離子化形成 - O⁻鍵，使其與金屬離子具有高反應活性，實現了直接鍍銅，有效解決了 TGV 高縱橫比下的保形金屬化問題，避免了傳統工藝中可能出現的孔洞問題，提高了金屬化質量。

表面粗糙化增強粘附：英特爾的另一項專利（US20240222249）涉及對玻璃核心層表面進行粗糙化處理。粗糙化的玻璃表面能夠增加與金屬層之間的機械咬合力，從而增強玻璃與金屬之間的粘附性，解決了因粘附問題導致的玻璃與銅特徵之間的分離以及工藝處理中的面板移動問題，提高了封裝結構的穩定性和可靠性。

-熱管理

隨着電子產品性能提升，芯片功耗增加，玻璃基板在封裝中的散熱問題成為關鍵挑戰。玻璃本身導熱性相對較差，如何有效散去芯片產生的熱量，確保產品在高温環境下穩定運行，是需要解決的重要問題。在玻璃核心基板或玻璃中介層中，由於材料熱膨脹係數（CTE）不匹配，如玻璃與銅（常用於通孔填充和電路連接）之間的CTE差異，在温度變化時容易產生熱應力，可能導致通孔開裂、芯片與基板分層等可靠性問題。

專利解決方案

玻璃基冷卻結構設計：英特爾提出了一種基於玻璃的空腔和通道結構（如US20220406686），用於冷卻嵌入式芯片和3D集成模塊。通過在玻璃核心基板中設計流體通道，使冷卻介質能夠流經封裝基板，實現更全面的散熱，而不僅僅依賴頂部芯片散熱，有效提高了散熱效率。

導熱套管應用：英特爾的另一項專利（US20230088392）涉及在TGV周圍設置導熱套管。該套管採用導熱率高於通孔材料（如銅）的材料製成，能夠更有效地將熱量從芯片傳導出去，同時避免了因玻璃與銅CTE不匹配導致的裂紋在通孔周圍擴展，提高了產品的熱可靠性。

-預製銅柱組裝

在傳統的玻璃基板與其他組件（如芯片）的組裝過程中，電鍍和化學機械拋光（CMP）步驟複雜且昂貴，增加了生產成本，同時也可能引入工藝缺陷，影響產品質量。精確控制通孔直徑和玻璃孔側壁粗糙度對於確保良好的電氣連接和組件之間的可靠結合至關重要，但傳統工藝在這方面存在一定難度。

專利解決方案

雲天半導體（如CN118412319）提出了一種玻璃適配器板的製造方法，先在硅基板上通過電化學沉積製造銅柱，然后將玻璃基板與之進行陽極鍵合，接着填充鈍化層並添加金屬層連接銅柱，最后去除硅基板。這種方法避免了複雜的電鍍和CMP步驟，降低了成本，同時集成的鈍化層作為應力緩衝層，提高了產品可靠性。

盛合晶微的成型工藝（如 CN116631876）專利涉及一種TGV適配器板的集成成型製造方法。通過在硅基板上形成凹槽，進行玻璃迴流，然后將預製金屬柱從載體板壓入凹槽並填充玻璃液體，實現了對通孔直徑的精確控制，減少了玻璃孔側壁粗糙度，提高了組件之間的粘附性和整體產品性能。

總結

隨着人工智能、高性能計算、光子學等新興技術的持續發展，玻璃基板產業將迎來更多機遇。預計未來將有更多企業進入該領域參與競爭，推動技術創新的加速發展，新的專利申請和技術突破有望不斷涌現。

在競爭格局方面，當前尚處於早期階段且將不斷演變，現有企業可能會進一步加大研發投入，鞏固和拓展自身的專利組合，以保護知識產權並提升市場競爭力。同時，新進入者可能會帶來新的技術思路和商業模式，促使行業格局發生動態變化。

在技術發展趨勢上，玻璃基板的性能將不斷優化，如更高的散熱效率、更低的翹曲變形、更優異的光學性能等。與其他先進封裝技術（如 3D 堆疊、混合鍵合等）的融合應用將更加廣泛。