玻璃基板的機會與挑戰

英特爾發起了這場競賽, 三星也加入其中, 而台積電則等待著理想時機. 隨著玻璃基板的出現, 先進封裝產業的創新競賽達到了新的關鍵時刻. 這項新技術方向緊跟著有機和陶瓷基板的浪潮, 預計將克服有機核心基板的挑戰, 以順應 HPC 和 AI 大趨勢, 將晶片性能, 效率和可擴展性提升到新的水平設計和製造成本.

玻璃作為一種材料, 在多個半導體行業中廣泛研究和整合. 它代表了先進封裝材料選擇的重大演變, 與有機和陶瓷材料相比具有多種優勢. 與多年來一直成為主流技術的有機基板不同, 玻璃具有卓越的尺寸穩定性, 導熱性和電氣性能. 玻璃基板也面臨一系列挑戰, 不僅對基板製造商而言, 對設備, 材料和檢測工具供應商也是如此. 

電子互連解決方案廠商 Samtec 去年進行過有關玻璃芯技術的演講. 下圖提供了該技術的適用方向, 其中 glass interposer 是更多人關注的, 也就是 2.5D 先進封裝中的 interposer 有一部分換做了玻璃. 不僅是 2.5D 用作 die 之間互連的 interposer 介質, 而且在 3D 的 Non-TSV 應用中, 也有所謂的 "3D玻璃嵌入" (3D Glass Embedding) 縱向堆疊.

2.5D 封裝的 glass, 對比矽 (silicon) 和有機 (organic) 這兩個解決方案就不難發現, 這裡的 glass interposer 也不光是扮演 interposer 的角色, 它也同時作為封裝基板 (package substrate) 存在. glass interposer 與 substrate 似乎產生了角色重合; 只不過作為 substrate 的角色存在時, 它也滿足了更高密度互連的要求.

從 Intel 發佈的技術資料來看, 該公司準備要商用的玻璃芯 substrate, 主要就是作為 substrate 存在, 用於部分取代更早的 organic substrate. 去年 AnandTech 在介紹這種技術時還明確提到, 它還不能取代 CoWoS/EMIB 之類的 2.5D 封裝方案. 換句話說玻璃芯 substrate 應該還不可作為 2.5D 封裝中常見的矽橋 (silicon bridge) 與矽 interposer 存在.

看 Intel 的 PPT, 會發現所謂的玻璃芯 substrate, 也並不是將整個 substrate 都整成玻璃 (所以才叫 glass core), 而是 substrate 的核心材料採用玻璃, 重分佈層 (RDL) 位於其兩側. 換用玻璃芯 substrate 的一大價值在於可實現更密集的互連密度. Intel 的方案實現了 TGV 間距 75μm, 也就能做到更具彈性化的訊號路由, 或者更少的 RDL 層.

75μm 哪怕在 2.5D 矽橋方案上都是不夠看的, 更不用說 3D hybrid bonding 的鍵和間距都已經 <10μm 了. 所以這裡的玻璃芯 substrate 的確就是作為替換 organic substrate 的存在, 以提升互連密度. Intel 似乎是打算讓玻璃芯 substrate 與其他封裝技術做互補, 如某些 chiplet 方案需要高於從傳統基板走線的頻寬, 但又不需要 EMIB 封裝那麼高的互連密度.

玻璃的機械和電氣特性好, 包括封裝時比 organic substrate 更耐受高溫, 也就實現了更小的翹曲和形變; 更平坦, 所以封裝和微影都更容易. TGV 本身的電氣性能更好, 如低損耗, 實現了更乾淨的訊號路由和電供給, 在不需要用光互連的情況下, 就能實現 448G 訊號傳遞. 最重要的, 也是半導體製造最為看重的, 在於封裝尺寸 (package size) 可以做得很大.

配合面板封裝 (panel packaging) 方案, 用更大的 panel 尺寸就能實現更大更多的substrate/interposer, 體現了玻璃芯技術的成本價值. Intel 說該公司的方案能夠在一片晶片上多放 50% 的 die, 也就是封裝密度提升了, 尤其對於資料中心 AI 這類大晶片. 下圖來源是 Yole Intelligence, 橫坐標是 L/S, 縱坐標是成本.

玻璃 substrate 用於先進封裝時存在的種種技術挑戰. 例如製造過程中貫穿玻璃的 TGV 的一致性, TGV 製造本身的技術挑戰; 玻璃在檢驗與測量方面本來就存在挑戰, 與其完全不同於矽的透明度, 折射率等特性有關. 當我們改用一種新的 substrate, 先前的物理學方法, 演算法, 設計是否還湊效? 這是很大的問題.

還有個關鍵問題是, 目前半導體封裝領域內用到的 substrate 材料是可以做多層電路的, 上面, 下面, 以及其內部都可以. 但基於玻璃的物理屬性, 尤其在硬度, TGV的存在等問題, 要往裡放電路很困難. 玻璃芯上面下面是可以放層級電路的, 但內部暫時還不行, 這就一定程度造成了設計上的挑戰.

11月底外媒報導 AMD 已獲得一項涵蓋玻璃芯基板技術的專利, 計畫在 2026 採用玻璃基板取代傳統有機基板, 應用於多晶片 (multi-chiplet) 處理器. 大摩也說輝達的 GB200 預計將採用玻璃基板作為其先進封裝工藝的一部分, GB200 的供應鏈已經啟動, 目前處於設計微調和測試階段, 預計 2025 年的訂單和供應商分配將在未來幾個月內最終確定.