玻璃基板，轉(zhuǎn)折點(diǎn)

2022年，SKC美國子公司Absolics在美國佐治亞州科文頓市斥資約3000億韓元（約合2.22億美元）建立了第一家專門生產(chǎn)玻璃基板的工廠。近日，該公司宣布工廠竣工并開始批量生產(chǎn)原型產(chǎn)品，這標(biāo)志著蓬勃發(fā)展的玻璃基板市場(chǎng)迎來了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

玻璃基板市場(chǎng)正在見證 SKC、三星電機(jī)和 LG Innotek 等主要參與者之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)。玻璃基板因其能夠快速處理大量數(shù)據(jù)以及與傳統(tǒng)塑料基板相比具有卓越的能源效率而受到高度重視。盡管該技術(shù)尚處于起步階段，但據(jù) The Insight Partners 稱，全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從今年的 2300 萬美元增長(zhǎng)到 2034 年驚人的 42 億美元。

目前，塑料基板市場(chǎng)主要被日本的揖斐電、神光電機(jī)和臺(tái)灣的欣興電子所占據(jù)，但隨著人工智能領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體性能要求的提高，向玻璃基板的轉(zhuǎn)移代表著重大的技術(shù)進(jìn)步。

為什么需要玻璃基板？

在先進(jìn)封裝行業(yè)，隨著玻璃芯基板的出現(xiàn)，創(chuàng)新競(jìng)賽已到達(dá)一個(gè)新的關(guān)鍵時(shí)刻。

這一新技術(shù)方向是在有機(jī)和陶瓷基板浪潮之后出現(xiàn)的，有望克服有機(jī)芯基板的挑戰(zhàn)，以在芯片設(shè)計(jì)和制造成本方面將性能、效率和可擴(kuò)展性提升到新的水平，從而順應(yīng) HPC 和 AI 的大趨勢(shì)。后者取決于技術(shù)的成熟度及其在終端市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。

玻璃作為一種材料，已在多個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)得到廣泛研究和集成。它代表了先進(jìn)封裝材料選擇的重大進(jìn)步，與有機(jī)和陶瓷材料相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。與多年來一直是主流技術(shù)的有機(jī)基板不同，玻璃具有出色的尺寸穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率和電氣性能。

然而，盡管有潛在的好處，但與任何新技術(shù)一樣，玻璃芯基板也面臨著一系列挑戰(zhàn)，不僅對(duì)于基板制造商如此，對(duì)于設(shè)備、材料和檢測(cè)工具供應(yīng)商也同樣如此。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，但玻璃芯基板的采用仍受到幾個(gè)關(guān)鍵因素的推動(dòng)。對(duì)更大基板和外形尺寸的需求，加上芯片和異構(gòu)集成的技術(shù)趨勢(shì)，正在推動(dòng)行業(yè)將玻璃作為一種潛在的解決方案。此外，一旦該技術(shù)成熟并得到廣泛采用，玻璃的潛在成本效益將使其成為高性能計(jì)算 (HPC) 和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的有吸引力的選擇。

在此領(lǐng)域，玻璃通孔 (TGV) 是玻璃芯基板的支柱之一。TGV 為更緊湊、更強(qiáng)大的設(shè)備鋪平了道路。TGV 有助于提高層間連接密度。這些通孔有助于提高高速電路的信號(hào)完整性。連接之間的距離減小可減少信號(hào)損失和干擾，從而提高整體性能。TGV 的集成可以通過消除對(duì)單獨(dú)互連層的需求來簡(jiǎn)化制造流程。然而，盡管 TGV 具有諸多優(yōu)勢(shì)，但它也面臨許多挑戰(zhàn)。由于制造過程的復(fù)雜性，TGV 更容易出現(xiàn)可能導(dǎo)致產(chǎn)品故障的缺陷。此外，TGV 通常意味著比其他解決方案更高的生產(chǎn)成本。對(duì)專用設(shè)備的需求加上缺陷風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)費(fèi)用增加。最近，許多新的 TGV 相關(guān)專利已授予 LPKF 等激光設(shè)備制造商。這些進(jìn)步有助于實(shí)現(xiàn)玻璃芯基板的商業(yè)化，同時(shí)解決與玻璃中介層相關(guān)的挑戰(zhàn)。該解決方案可增強(qiáng) GCS 和 Glass 中介層，為令人興奮的下一代強(qiáng)大設(shè)備帶來希望。

此外，玻璃芯基板和面板級(jí)封裝 (PLP) 之間的協(xié)同作用正在推動(dòng)這兩個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。由于兩種技術(shù)都采用類似的面板尺寸，因此它們?yōu)樘岣咝酒芏?、降低成本和提高制造效率提供了互補(bǔ)的機(jī)會(huì)。

玻璃芯基板代表著先進(jìn) IC 基板和先進(jìn)封裝領(lǐng)域的一個(gè)有前途的前沿。它們?yōu)橄乱淮酒O(shè)計(jì)和封裝提供了無與倫比的性能和可擴(kuò)展性。盡管挑戰(zhàn)依然存在——所有新技術(shù)都是如此——但行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和新進(jìn)入者的共同努力正在為玻璃基板在各個(gè)終端市場(chǎng)的廣泛采用鋪平道路，其中人工智能芯片和服務(wù)器是重點(diǎn)。隨著 GCS 技術(shù)的成熟和供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，玻璃芯基板有望重新定義先進(jìn)封裝的格局。

巨頭們的布局

在去年九月，英特爾推出了用于基于大型芯片的系統(tǒng)級(jí)封裝芯片的新型玻璃基板技術(shù)，率先打響了玻璃基板競(jìng)賽。

任何工程師都知道，IC 不僅僅是硅。各種組件（例如封裝、引線和基板）都影響著組件的耐用性和最終性能。基板（安裝硅 IC 晶片的材料）在實(shí)現(xiàn)單個(gè)封裝中更高的計(jì)算能力方面發(fā)揮著越來越重要的作用。為了滿足這些需求，英特爾宣布推出用于下一代高功率處理器的新型玻璃基板技術(shù)。

英特爾高級(jí)副總裁兼裝配和測(cè)試開發(fā)總經(jīng)理 Babak Sabi表示：“經(jīng)過十年的研究，英特爾已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的先進(jìn)封裝玻璃基板。我們期待推出這些尖端技術(shù)，讓我們的關(guān)鍵參與者和代工客戶在未來幾十年受益?！?/span>

按照英特爾所說，與當(dāng)今的有機(jī)基板相比，玻璃具有獨(dú)特的特性，例如超低平整度和更好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，從而大大提高了基板中的互連密度。這些優(yōu)勢(shì)將使芯片架構(gòu)師能夠?yàn)槿斯ぶ悄?(AI) 等數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載創(chuàng)建高密度、高性能的芯片封裝。英特爾有望在本世紀(jì)下半葉向市場(chǎng)提供完整的玻璃基板解決方案，使該行業(yè)能夠在 2030 年后繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律。

英特爾認(rèn)為，到本世紀(jì)末，半導(dǎo)體行業(yè)可能會(huì)達(dá)到其極限，即使用有機(jī)材料在硅封裝上縮小晶體管，這會(huì)消耗更多電力，并且存在收縮和翹曲等限制?？s小晶體管對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展至關(guān)重要，而玻璃基板是下一代半導(dǎo)體的可行且必不可少的下一步。

隨著對(duì)更強(qiáng)大計(jì)算能力的需求不斷增長(zhǎng)，以及半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入使用多個(gè)“芯片”封裝的異構(gòu)時(shí)代，信號(hào)傳輸速度、功率傳輸、設(shè)計(jì)規(guī)則和封裝基板穩(wěn)定性的改進(jìn)將至關(guān)重要。與當(dāng)今使用的有機(jī)基板相比，玻璃基板具有出色的機(jī)械、物理和光學(xué)特性，允許在一個(gè)封裝中連接更多晶體管，提供更好的擴(kuò)展性并能夠組裝更大的芯片復(fù)合體（稱為“系統(tǒng)級(jí)封裝”）。芯片架構(gòu)師將能夠在一個(gè)封裝的較小占用空間中封裝更多塊（也稱為芯片），同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能和密度提升，具有更大的靈活性，并降低了總體成本和功耗。

在英特爾看來，玻璃基板將首先被引入到能夠最大程度利用其的市場(chǎng)：需要更大外形封裝（即數(shù)據(jù)中心、人工智能、圖形）和更高速度能力的應(yīng)用程序和工作負(fù)載。

玻璃基板可耐受更高的溫度，圖案失真減少 50%，具有超低平整度，可改善光刻的焦深，并具有極緊密層間互連覆蓋所需的尺寸穩(wěn)定性。由于這些獨(dú)特的特性，玻璃基板上的互連密度可以提高 10 倍。此外，玻璃的機(jī)械性能得到改善，可實(shí)現(xiàn)超大尺寸封裝，并具有非常高的組裝良率。

玻璃基板對(duì)高溫的耐受性還為芯片架構(gòu)師提供了靈活性，讓他們可以靈活地設(shè)定電力傳輸和信號(hào)路由的設(shè)計(jì)規(guī)則，因?yàn)樗顾麄兡軌驘o縫集成光學(xué)互連，并在高溫處理時(shí)將電感器和電容器嵌入玻璃中。這可以實(shí)現(xiàn)更好的電力傳輸解決方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功率所需的高速信號(hào)傳輸。這些諸多優(yōu)勢(shì)使該行業(yè)更接近于到 2030 年在封裝上擴(kuò)展 1 萬億個(gè)晶體管的目標(biāo)。

作為行業(yè)的重要參與者，三星也不想落后。

據(jù)外媒Sedaily今年三月報(bào)道，作為全球最大的芯片制造商之一，三星自然不會(huì)忽略玻璃基板，因此他們最近組建了一個(gè)由自己的團(tuán)隊(duì)組成的聯(lián)盟，旨在到 2026 年研究、開發(fā)和商業(yè)化玻璃 基板。

三星已組建由三星電機(jī)、三星電子和三星顯示器部門組成的聯(lián)盟，以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)和商業(yè)化玻璃基板。事實(shí)上，三星電機(jī)早在CES上就宣布了其計(jì)劃在 2026 年之前量產(chǎn)玻璃基板。

一位業(yè)內(nèi)人士向《Sedaily》表示：“由于每家公司都擁有（各自市場(chǎng)上的）全球最頂尖的技術(shù)，因此在前景廣闊的玻璃基板研究領(lǐng)域，協(xié)同效應(yīng)將得到最大化，同時(shí)也需要關(guān)注三星聯(lián)盟的玻璃基板生態(tài)系統(tǒng)將如何建立?！?/span>

三星電子預(yù)計(jì)將專注于半導(dǎo)體和基板的集成，而三星顯示器將專注于玻璃加工。這種合作方式旨在增強(qiáng)集團(tuán)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

隨后，外媒ETNews在五月報(bào)道，三星電機(jī)正加快進(jìn)軍半導(dǎo)體玻璃基板市場(chǎng)，將設(shè)備采購和安裝時(shí)間提前至 9 月，并在第四季度開始運(yùn)營試產(chǎn)線，比原計(jì)劃提前了一個(gè)季度。該公司預(yù)計(jì)將于 2026 年開始生產(chǎn)用于高端系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 的玻璃基板。為了獲得 2026 年的訂單，該公司需要在 2025 年展示出不錯(cuò)的能力。

為了構(gòu)建高度復(fù)雜的多芯片 SiP，三星需要獲得玻璃基板方面的專業(yè)知識(shí)。因此，該公司決定提前在韓國世宗工廠的試驗(yàn)生產(chǎn)線時(shí)間表可能是一個(gè)戰(zhàn)略決定，可能反映了先進(jìn)芯片封裝技術(shù)對(duì)三星日益增長(zhǎng)的重要性，以及該公司積極試圖從英特爾手中奪取市場(chǎng)份額，英特爾有望在未來幾年開始提供先進(jìn)的玻璃基板封裝。

據(jù)報(bào)道，三星電機(jī)計(jì)劃9月前在試驗(yàn)生產(chǎn)線上安裝所有必要的設(shè)備，并于第四季度開始運(yùn)營。

供應(yīng)商的選擇已經(jīng)完成，Philoptics、Chemtronics、Joongwoo M-Tech 和德國 LPKF 等公司負(fù)責(zé)為該裝置提供零部件。報(bào)道稱，該裝置旨在簡(jiǎn)化生產(chǎn)并遵守三星嚴(yán)格的安全和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。

隨著三星代工廠試圖從數(shù)據(jù)中心級(jí)處理器開發(fā)商那里獲得更多訂單，該公司還需要提供先進(jìn)的封裝服務(wù)。為此，三星電機(jī)（實(shí)際上是整個(gè)三星）的玻璃基板相關(guān)努力可能很快就會(huì)對(duì)三星代工廠至關(guān)重要。

LG Innotek也進(jìn)入了玻璃基板的開發(fā)。LG Innotek的核心研發(fā)部門CTO部門最近開始招募人員來開發(fā)半導(dǎo)體玻璃基板。此前，LG Innotek首席執(zhí)行官Hyuk-soo Moon在3月份的公司股東大會(huì)上表示，“美國大型半導(dǎo)體公司對(duì)玻璃基板感興趣”，“LG Innotek也在為玻璃基板業(yè)務(wù)做準(zhǔn)備”。

此外，SCHMID等新公司的出現(xiàn)以及激光設(shè)備供應(yīng)商、顯示器制造商、化學(xué)品供應(yīng)商等的參與，凸顯了圍繞玻璃芯基板新興供應(yīng)鏈形成的多樣化生態(tài)系統(tǒng)。各方正在建立合作和伙伴關(guān)系，以應(yīng)對(duì)與玻璃基板制造相關(guān)的技術(shù)和物流挑戰(zhàn)，這表明各方正共同努力，充分發(fā)揮其潛力。

寫在最后

在大廠們大力推進(jìn)的同時(shí)，下游客戶也對(duì)玻璃基板的采用表達(dá)了熱情。英特爾自不必說，其他如英偉達(dá)、AMD和蘋果也都被看作是玻璃基板的潛在“買家”。

然而，盡管有諸多優(yōu)點(diǎn)，但要使玻璃基板完全商業(yè)化，還有許多因素需要解決。最大的問題是脆弱性。業(yè)界認(rèn)為，在實(shí)際交付之前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)良率還需要一段時(shí)間。公司的前期投資成本也很高。即使公司在技術(shù)開發(fā)上投入巨資，如果業(yè)務(wù)無法盈利，它也會(huì)成為沉沒成本。

Hl Investment & Securities 研究員 Ko Eui-young表示：“玻璃基板需要重組供應(yīng)鏈，因?yàn)樾枰鼡Q設(shè)備，并且需要進(jìn)一步驗(yàn)證與玻璃材料相關(guān)的可靠性?！薄傲慨a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化工作是必須要做的，但量產(chǎn)時(shí)的良率是不確定的。”但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，行業(yè)共識(shí)是應(yīng)該發(fā)展玻璃基板。

NH Investment & Securities 研究員 Lee Kyu-ha 表示：“為了優(yōu)化半導(dǎo)體微細(xì)化的趨勢(shì)，玻璃將成為未來基板材料的核心。”

文章來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察