英特爾，又賭對了？

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“過去人們曾懷疑玻璃基板能否承受封裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，但現(xiàn)在技術(shù)穩(wěn)定性已經(jīng)得到保障，”安靠科技韓國研發(fā)中心團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人柳東洙（Yoo Dong-soo）在日前一場分享會上表示。“我們預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”他進(jìn)一步指出。

作為英特爾在玻璃基板領(lǐng)域的重要合作伙伴，安靠的這個披露，再次證明了英特爾的先見之明。過去，曾有報(bào)道稱英特爾可能會放棄該項(xiàng)目，但現(xiàn)任首席執(zhí)行官陳立武 (Lip-Bu Tan) 堅(jiān)持繼續(xù)推進(jìn)該項(xiàng)目，最終有了今日的成果。

繼持續(xù)投注CPU和EMIB后，英特爾再一次賭對了。

玻璃基板，勢在必行

隨著芯片變得越來越復(fù)雜，以滿足不斷增長的計(jì)算和內(nèi)存需求，先進(jìn)封裝技術(shù)對于任何大型晶圓代工廠來說都至關(guān)重要。

例如，高性能半導(dǎo)體近年來的設(shè)計(jì)理念是將高帶寬存儲器（HBM）芯片和邏輯芯片集成到單個封裝中。Yoo Dong-soo也表示：“HBM芯片的數(shù)量已經(jīng)從四個增加到六個，最近又增加到八個，有些項(xiàng)目甚至考慮使用更多芯片。”這種結(jié)構(gòu)通過將多個芯片捆綁到單個封裝中，而不是使用單個芯片（晶粒），從而提高了性能。

隨著芯片和存儲器集成度的同步提高，封裝尺寸也在不斷增大。目前，市售高性能封裝的尺寸約為光刻掩模（半導(dǎo)體光刻工藝中一次可曝光的面積單位）的三倍，但在研發(fā)階段，這一尺寸已擴(kuò)大到五倍以上。

以臺積電為例，憑借其CoWoS 2.5D技術(shù)，他們成為全球最重要的先進(jìn)封裝供應(yīng)商。目前的芯片需求是將HBM芯片和邏輯芯片集成到單個封裝中，而HBM芯片的數(shù)量正在迅速增長。最近，OpenAI展示了其如何利用類似EMIB的解決方案來突破當(dāng)前CoWoS技術(shù)的限制。

為了進(jìn)一步滿足需求，臺積電等半導(dǎo)體制造商正通過推出新的CoWoS芯片解決方案來擴(kuò)展芯片性能。展望下一代設(shè)計(jì)，臺積電實(shí)現(xiàn)了大于14倍光罩尺寸的解決方案，并提供24倍HBM封裝。此外，還有更先進(jìn)的解決方案，例如SoW-X，其光罩尺寸可擴(kuò)展至大于40倍，并提供大于60倍HBM封裝。

這將顯著提升下一代芯片的計(jì)算能力，但此類解決方案也存在一些問題。那就是隨著熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的同步增加，翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯。與此同時(shí)，芯片制造的復(fù)雜性和成本也在同步飆升。隨著設(shè)計(jì)規(guī)模不斷擴(kuò)大，芯片設(shè)計(jì)難度也隨之增加。這些設(shè)計(jì)還會引入嚴(yán)重的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，可能導(dǎo)致芯片翹曲。此外，基于RDL工藝的芯片生產(chǎn)周期也顯著延長，有時(shí)甚至超過一個月。

這些因素導(dǎo)致半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)在性能、襯底、散熱管理、連接技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)等方面出現(xiàn)瓶頸。為了克服這些瓶頸，玻璃襯底技術(shù)被視為一種可行的替代方案。

與傳統(tǒng)的有機(jī)基板相比，玻璃基板具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗變形能力，使其成為一種能夠減少大型封裝翹曲的材料。

從相關(guān)資料可以看到，一方面，玻璃具有卓越的尺寸穩(wěn)定性，能夠支撐更大面積和更精細(xì)的圖案。此外，它的熱膨脹系數(shù)與硅相同，并且極其平整穩(wěn)定；另一方面，玻璃材質(zhì)無疑是一種趨勢。玻璃的容錯性很高，而且它的一些電氣特性也很有優(yōu)勢。只要不追求極致厚度，它就能簡化光刻工藝；再者，玻璃還有低介電常數(shù)，這可以最大限度地減少信號傳播延遲和相鄰互連之間的串?dāng)_，這對高速電子器件至關(guān)重要；此外，它還能降低互連之間的電容，從而實(shí)現(xiàn)更快的信號傳輸和更高的整體性能。

然而，如上面所述，如果要用上玻璃，你必須解決的問題包括界面應(yīng)力、了解玻璃的斷裂動力學(xué)，以及如何將應(yīng)力從一層解耦到另一層；而且，玻璃的脆性使得基板越做越薄，以滿足現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的需求，從而造成了更大的問題。處理和加工這些薄玻璃基板需要格外小心謹(jǐn)慎，因?yàn)槠茡p的風(fēng)險(xiǎn)會顯著增加；此外，玻璃材質(zhì)也給檢測和計(jì)量帶來了更大的挑戰(zhàn)。

這也正是英特爾推動玻璃方案受到質(zhì)疑的原因。但現(xiàn)在，似乎雨過天晴了。

英特爾的玻璃基板之路

我們雖然沒有找到英特爾玻璃基板的起源，但在2023年，他們就宣布推出業(yè)界首批用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板之一。按照他們的規(guī)劃，該封裝計(jì)劃于本十年后期推出。這項(xiàng)突破性成果將推動封裝內(nèi)晶體管數(shù)量的持續(xù)縮小，并進(jìn)一步推動摩爾定律的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用。

按照英特爾當(dāng)時(shí)的說法，與目前的有機(jī)基板相比，玻璃具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢，例如超低的平面度以及更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的基板互連密度。這些優(yōu)勢將使芯片架構(gòu)師能夠?yàn)槿斯ぶ悄?(AI) 等數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載打造高密度、高性能的芯片封裝。英特爾有望在本十年后半期向市場推出完整的玻璃基板解決方案，助力業(yè)界在 2030 年之后繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律的發(fā)展。

到了今年一月，英特爾晶圓代工在日本NEPCON展會上展示了其EMIB封裝技術(shù)中集成的“Thick Core”玻璃基板。英特爾團(tuán)隊(duì)聲稱這是獨(dú)一無二的實(shí)現(xiàn)方式，并表示其專為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

據(jù)分享的其中一張幻燈片顯示，英特爾開發(fā)了一種新型高性能核心玻璃基板，其尺寸為78x77毫米，適用于整個封裝。該基板可容納大約兩倍于硅片的掩模尺寸，相當(dāng)于約1716平方毫米（2x858平方毫米）的硅片面積，用于邏輯和存儲器。這是首款采用英特爾EMIB多芯片模塊技術(shù)的10-2-10層厚玻璃核心基板。該結(jié)構(gòu)在基板頂部包含10層重分布層（RDL），用于重新分配來自芯片的信號。這些層負(fù)責(zé)精細(xì)間距布線，英特爾為此專門設(shè)置了多達(dá)10層。

玻璃基板的核心由兩層組成，采用 800 微米（或 0.8 毫米）厚的材料制成，其中可能包含用于玻璃通孔 (TGV) 或電源/接地層的嵌入式金屬層。最后的數(shù)字“10”表示底部（或背面）的堆疊層數(shù)，與頂部鏡像對稱，以便對稱布線連接到主板/PCB。這一層還可以“簡化”硅芯片裸露的大量導(dǎo)線，使其更容易與標(biāo)準(zhǔn)主板/PCB連接。英特爾的 10-2-10 玻璃核心基板還配備了市場上最精細(xì)的凸點(diǎn)間距之一，僅為 45 微米（0.045 毫米）。最后，英特爾還嵌入了兩個用于多芯片模塊封裝的 EMIB 橋接器，因此可以制造多個更小的芯片，并通過位于玻璃核心上的 EMIB 橋接器將它們互連。

據(jù)介紹在測試過程中，英特爾并未遇到任何 SeWaRe 問題，SeWaRe 指的是制造過程中玻璃的微裂紋。由于玻璃本身較脆，SeWaRe 可能在制造過程中以多種形式出現(xiàn)，尤其是在切割基板時(shí)，微裂紋更容易產(chǎn)生。當(dāng)玻璃出現(xiàn)裂紋時(shí)，就被稱為 SeWaRe。英特爾似乎已經(jīng)找到了解決方案，無論是通過材料科學(xué)還是其他制造工藝，都能有效防止 SeWaRe 的發(fā)生。這些玻璃基板的特殊之處在于，目前只有少數(shù)幾家業(yè)內(nèi)企業(yè)在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。這是因?yàn)?SeWaRe 的難度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的有機(jī)封裝工藝。雖然制造工藝更為復(fù)雜，但 SeWaRe 也帶來了諸多優(yōu)勢，例如更高的耐熱性、防止翹曲以及更佳的電氣隔離性能，從而降低緊密耦合區(qū)域的信號延遲和干擾，實(shí)現(xiàn)更高的互連密度。

相關(guān)分析人士透露，英特爾在玻璃基板架構(gòu)、工藝、材料和設(shè)備方面積累了超過1000項(xiàng)發(fā)明。這并非漸進(jìn)式的研發(fā)，而是系統(tǒng)性的平臺重構(gòu)，旨在徹底解決有機(jī)基板無法克服的局限性：翹曲、布線密度、電源完整性以及超大規(guī)模下的機(jī)械穩(wěn)定性。

在英特爾大局押注玻璃基板的同時(shí)，三星、SK和LG等韓國大型企業(yè)集團(tuán)的電子子公司正競相進(jìn)軍下一代半導(dǎo)體玻璃基板市場。

據(jù)韓國媒體在去年11月底的報(bào)道，三星電機(jī)在其世宗工廠建立了一條玻璃基板試生產(chǎn)線，并于今年開始投產(chǎn)。該公司計(jì)劃于本月向全球大型科技公司B交付首批樣品。

此外，該公司還與日本住友化學(xué)集團(tuán)簽署了一份諒解備忘錄，探討成立一家與玻璃基板材料制造相關(guān)的合資企業(yè)。當(dāng)時(shí)，三星電機(jī)總裁張德鉉表示：“玻璃芯材是改變未來基板市場格局的關(guān)鍵材料”，并補(bǔ)充道：“我們將鞏固技術(shù)領(lǐng)先地位，引領(lǐng)先進(jìn)封裝基板生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。”

SKC旗下子公司Absolix于2022年在美國佐治亞州開始建設(shè)玻璃基板工廠，并自去年以來一直向潛在客戶提供樣品。該工廠分兩期建設(shè)：一期工廠已建成，年產(chǎn)能為12,000平方米；二期工廠計(jì)劃建設(shè)，年產(chǎn)能為72,000平方米。

LG Innotek 也正在其龜尾工廠建立一條玻璃基板試生產(chǎn)線。目標(biāo)是在今年年底前生產(chǎn)出原型產(chǎn)品，并在 2027-2028 年開始量產(chǎn)。

在各自管理層的帶領(lǐng)下，這些公司都在積極推動玻璃基板成為新的增長引擎。然而，一線運(yùn)營人員仍然對玻璃基板的商業(yè)化深感擔(dān)憂。技術(shù)挑戰(zhàn)和市場不確定性被認(rèn)為是主要原因。

與傳統(tǒng)基板材料相比，玻璃的加工難度極大。如果在切割（單片化）、鉆取TGV（玻璃通孔）孔或電鍍過程中出現(xiàn)微裂紋，則整個基板都可能出現(xiàn)裂紋（破損）。因此，玻璃基板設(shè)備制造商正致力于開發(fā)高縱橫比TGV的成型技術(shù)。

此外，玻璃基板非常平整光滑，難以與基板上的銅材料牢固粘合，這也是一個問題。而且，兩種材料的熱膨脹系數(shù)差異有時(shí)會導(dǎo)致芯片在高溫環(huán)境下出現(xiàn)缺陷。

一位半導(dǎo)體行業(yè)封裝部門的高管表示：“玻璃基板的可靠性和兼容性問題仍未解決，封裝行業(yè)在開發(fā)新技術(shù)時(shí)，未必會認(rèn)為玻璃基板是唯一解決方案。” 他補(bǔ)充道：“我擔(dān)心，與一線員工的評估水平相比，目前有太多投資未經(jīng)驗(yàn)證就投入其中。”

打架隊(duì)這項(xiàng)技術(shù)的未來，怎么看呀？

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