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玻璃基板赛道火热,谁在下注? 发布时间:2024-06-11    来源:本站原创    阅读量:140

“玻璃基板何时可以取代PCB板?”这是半导体行业中许多异构集成人士都在问的问题。不幸的是,答案并不简单。

当国际投行大摩消息称,英伟达GB200采用的先进封装工艺将使用玻璃基板时,不止半导体业内人士,所有人都开始提出了这个问题。一时间玻璃基板,成为聚光灯下的瞩目角色。国内方面,玻璃基板概念突然大涨,玻璃基板的龙头股5天翻倍。

在回答这个问题之前,我们先回顾一下基板演变史。换句话说,我们是如何走到玻璃基板成为讨论话题的地步的?

什么是玻璃基板?

基板的需求始于早期的大规模集成芯片,随着晶体管数量增加,需要将它们连接到更多的引脚上。封装基板在芯片制造过程中,可以为芯片提供支撑、散热、供电连接等一系列功能,可以说是芯片封装的载体。先进封装基板占封装总材料成本的比例超过了70%,可以看出其重要性。

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如果我们把时间线拉长,会发现基板材料一直在变化,从最早期的使用引线框架或金属,到2000年左右开始使用陶瓷,再到之后变为了有机基板。有机基板本质上是由类似 PCB 的材料与玻璃编织层压板层压而成,允许相当多的信号通过芯片,包括基本的芯片设计,如英特尔的移动处理器以及 AMD 基于 Zen 的处理器。在2010年,今天我们讨论的玻璃基板被佐治亚理工学院提出为下一个大热点。在当时还不太现实,但现在无可否认很多公司都开始相信玻璃会成为下一代用于基板的材料。

这是为什么?

因为有机基板已经成为高性能芯片的限制因素。过去十年中,超高密度互连接口的兴起,开始出现硅中介层(基板上的晶圆上的芯片)及其衍生物,还有台积电CoWoS技术和英特尔的EMIB技术。但成本相当高,而且无法完全解决有机基板的缺点。

玻璃基板的优点非常突出:

第一:玻璃基板的主要成分是二氧化硅,在高温下更稳定。这就使得玻璃基板能够更有效地应对高温,并且管理高性能芯片的散热。这就为芯片带来了卓越的热稳定性和机械稳定性。

第二:相较于传统的塑胶基板,玻璃基板更加平坦,这使得封装和光刻变得更容易。数据上看,玻璃基板可将图案畸变减少50%,从而提高光刻的聚焦深度,进而确保半导体制造更加精密和准确。

第三:由于这些独特的特性,玻璃基板可实现更高的互连密度。这对于下一代封装中的电力传输和信号路由非常重要,这就可以在封装中连接更多的晶体管。玻璃基板上的互连密度可以提高 10 倍。

这三点解决了当前先进封装的难题,适合需要集成更多的晶体管和对耐热、抗弯曲要求更高的HPC、AI领域的芯片。尤其是,在半导体行业正在转向小芯片(Chiplet)技术,即将多个芯片集成到一个封装中的技术,玻璃基板也将大显身手。这就是玻璃基板被讨论的地方。

简单来讲,玻璃基板就是用玻璃代替有机 PCB 类材料。当然,这并不意味着用玻璃代替整个基板,而是基板核心的材料将由玻璃制成。同时,金属再分布层 (RDL) 仍将存在于芯片的两侧,为各种焊盘和焊点之间提供实际通路。

玻璃基板可以量产了吗?

前文提到,最近玻璃基板概念被炒的火热,甚至有消息称英伟达 GB200采用的先进封装工艺或将使用玻璃基板。这就带来一个问题,玻璃基板可以量产了吗?寻找这个问题的答案很简单,我们直接看看该领域的领先者能否量产就可以回答了。这个领域中,研究最早的企业是英特尔,大概在十年前就开始布局。目前已经在亚利桑那州钱德勒的一家工厂(生产 EMIB 的工厂)建立了一条玻璃基板完全集成的研发生产线。前后关于玻璃基板的研发投资超过了10亿美元。

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英特尔装配和测试技术开发工厂的玻璃基板测试单元

英特尔对于玻璃基板的产品推出计划是在2030年。在英特尔的声明中说到:有望在本十年后半段向市场提供完整的玻璃基板解决方案,使该行业能够在 2030 年之后继续推进摩尔定律。一言蔽之,该领域最领先的龙头,目前的玻璃基板也尚无法量产。

记者在查阅大摩报告中,文中也并未提及GB200会使用玻璃基板的消息,报告仅表示“看到了玻璃基板被广泛使用于GPU的机会”。也就是说,这并不意味着半导体用玻璃基板封装已经可正式量产使用。对于近期的玻璃基板概念热度,不少上市公司纷纷回应关于玻璃基板技术的布局情况。

股价暴涨雷曼光电公告,公司经自查,外部信息中的玻璃基板封装技术,是指用玻璃基载板替代传统有机聚合物载板进行半导体芯片封装,属于半导体芯片封装领域的应用,公司的新型 PM 驱动玻璃基封装技术主要用于 Micro LED 显示面板封装,不能用于半导体芯片封装。沃格光电表示:“近日,据相关媒体信息,公司被列入玻璃基板概念股,经公司自查,公司玻璃基TGV产品目前不具备量产能力,未形成营业收入,请投资者理性投资,注意概念炒作风险。”作为封装基板龙头供应商深南电路表示,玻璃基板与PCB、有机封装基板在材料特性、生产工艺方面均存在差异,在各自的应用领域具有不同特征。公司对玻璃基板技术保持密切关注与研究,目前不涉及玻璃基板的生产。

实际上,目前国内的玻璃基板更多的是指应用于Mini/Micro LED上,而不是半导体集成电路芯片封装领域。

玻璃基板,谁在布局?

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面板形式的玻璃基板

尽管国内的“此玻璃基板”,非英特尔所指的“彼玻璃基板”,但不可否认的是,在半导体领域玻璃基板的确是下一代基板的候选者。根据MarketsandMarkets最近的研究,全球玻璃基板市场预计将从2023年的71亿美元增长到2028年的84亿美元,2023年至2028年的复合年增长率为3.5%。在AI的大势之下,目前,已有包括英特尔、AMD、三星等多家大厂公开表示入局玻璃基板封装。

在美国通过的《芯片法案》中,宣布资助半导体玻璃封装的研发和生产。并且已经出资7500万美元,投资SK集团旗下的Absolics和SK海力士。Absolics官网显示,Absolics玻璃基板为HPC相关封装公司、数据中心、AI等提供高性能/低功耗/外形尺寸等差异化价值。应用材料公司也已向 Absolics 投资约 4000 万美元。三星自然无法眼睁睁看着英特尔玻璃基板业务上鹤立鸡群,终于在今年宣告了加速玻璃基板芯片封装研发。2024年3月,三星集团子公司三星电机宣布与三星电子和三星显示器组建联合研发团队(R&D),三星电子预计将专注于半导体和基板的集成,而三星显示器将处理与玻璃加工相关的方面,以在尽可能短的时间内开发玻璃基板并将其商业化。

此外,LG Innotek 的一位高管也表示,LG Innotek正在考虑开发用于芯片封装的玻璃基板。其总经理Jaeman Park认为,玻璃很可能成为未来半导体封装基板的主要成分。同时,据市场消息,苹果正积极与多家供应商商讨将玻璃基板技术应用于芯片开发,以提供更好散热性能,使芯片在更长时间内保持峰值性能。日本方面也在开始关注这项新兴技术。日本印刷(DNP)去年3月宣布成功开发 TGV 玻璃核心基板。报道里称,该基板用玻璃基板取代了 FC-BGA 等传统树脂基板,提供了比基于现有技术的半导体封装性能更高的半导体封装。DNP提出了在2027年大规模量产TGV玻璃芯基板的目标。DNP 预计英特尔等公司将采用该技术,并估计到 2030 财年,用于半导体封装的基板产生的收入可能达到 300 亿日元(2 亿美元)。

存在很多挑战

目前玻璃基板还存在很多问题没有解决。英特尔基板 TD 模块工程研究员兼总监 Rahul Manepalli 表示:“玻璃是一种获得与硅中介层非常相似的互连密度的手段。玻璃基板可以实现这种功能,但它也带来了非常具有挑战性的集成和接口工程问题,我们必须解决这些问题。”

这些种种挑战,诸如玻璃基板的易碎性、与金属缺乏粘合性以及难以实现均匀的通孔填充。而且玻璃具有高透明度,与硅的不同反射率让检查和测量也成为一个需要解决的问题。具体来说,依靠反射率来测量距离和深度的光学计量系统必须适应玻璃的半透明度,这可能会导致信号失真或丢失,从而影响测量精度。

此外,玻璃基板的普及中缺乏可靠性数据也是一个绊脚石。玻璃基板是半导体封装领域的新进入者,与 FR4、聚酰亚胺或味之素积层膜 (ABF) 等传统材料相比,长期可靠性信息相对匮乏,需要数十年的数据来建立标准、性能指标和预期寿命。玻璃基板的可靠性数据涵盖多种因素,包括机械强度、耐热循环性、吸湿性、介电击穿和应力引起的分层。这些特性中的每一个都会对最终产品的性能产生深远影响,尤其是在极端或多变的条件下。

总体来看,玻璃基板封装确实已是公认的“下一代技术”,但目前用于半导体的玻璃基板封装产业仍处于刚刚萌芽阶段,玻璃基板何时会开始真正占领市场、会否取代有机基板、产业链谁将出头都仍是未知。



10月17日 (1)-副本(1) (1).gif

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