英特尔，又赌对了？

“过去人们曾怀疑玻璃基板能否承受封装过程中产生的应力，但现在技术稳定性已经得到保障，”安靠科技韩国研发中心团队负责人柳东洙（Yoo Dong-soo）在日前一场分享会上表示。“我们预计这项技术将在三年内实现商业化。”他进一步指出。

作为英特尔在玻璃基板领域的重要合作伙伴，安靠的这个披露，再次证明了英特尔的先见之明。过去，曾有报道称英特尔可能会放弃该项目，但现任首席执行官陈立武 (Lip-Bu Tan) 坚持继续推进该项目，最终有了今日的成果。

继持续投注CPU和EMIB后，英特尔再一次赌对了。

玻璃基板，势在必行

随着芯片变得越来越复杂，以满足不断增长的计算和内存需求，先进封装技术对于任何大型晶圆代工厂来说都至关重要。

例如，高性能半导体近年来的设计理念是将高带宽存储器（HBM）芯片和逻辑芯片集成到单个封装中。Yoo Dong-soo也表示：“HBM芯片的数量已经从四个增加到六个，最近又增加到八个，有些项目甚至考虑使用更多芯片。”这种结构通过将多个芯片捆绑到单个封装中，而不是使用单个芯片（晶粒），从而提高了性能。

随着芯片和存储器集成度的同步提高，封装尺寸也在不断增大。目前，市售高性能封装的尺寸约为光刻掩模（半导体光刻工艺中一次可曝光的面积单位）的三倍，但在研发阶段，这一尺寸已扩大到五倍以上。

以台积电为例，凭借其CoWoS 2.5D技术，他们成为全球最重要的先进封装供应商。目前的芯片需求是将HBM芯片和逻辑芯片集成到单个封装中，而HBM芯片的数量正在迅速增长。最近，OpenAI展示了其如何利用类似EMIB的解决方案来突破当前CoWoS技术的限制。

为了进一步满足需求，台积电等半导体制造商正通过推出新的CoWoS芯片解决方案来扩展芯片性能。展望下一代设计，台积电实现了大于14倍光罩尺寸的解决方案，并提供24倍HBM封装。此外，还有更先进的解决方案，例如SoW-X，其光罩尺寸可扩展至大于40倍，并提供大于60倍HBM封装。

这将显著提升下一代芯片的计算能力，但此类解决方案也存在一些问题。那就是随着热应力和机械应力的同步增加，翘曲变形的风险日益凸显。与此同时，芯片制造的复杂性和成本也在同步飙升。随着设计规模不断扩大，芯片设计难度也随之增加。这些设计还会引入严重的热应力和机械应力，可能导致芯片翘曲。此外，基于RDL工艺的芯片生产周期也显著延长，有时甚至超过一个月。

这些因素导致半导体生态系统在性能、衬底、散热管理、连接技术和数据传输结构等方面出现瓶颈。为了克服这些瓶颈，玻璃衬底技术被视为一种可行的替代方案。

与传统的有机基板相比，玻璃基板具有更优异的热稳定性和抗变形能力，使其成为一种能够减少大型封装翘曲的材料。

从相关资料可以看到，一方面，玻璃具有卓越的尺寸稳定性，能够支撑更大面积和更精细的图案。此外，它的热膨胀系数与硅相同，并且极其平整稳定；另一方面，玻璃材质无疑是一种趋势。玻璃的容错性很高，而且它的一些电气特性也很有优势。只要不追求极致厚度，它就能简化光刻工艺；再者，玻璃还有低介电常数，这可以最大限度地减少信号传播延迟和相邻互连之间的串扰，这对高速电子器件至关重要；此外，它还能降低互连之间的电容，从而实现更快的信号传输和更高的整体性能。

然而，如上面所述，如果要用上玻璃，你必须解决的问题包括界面应力、了解玻璃的断裂动力学，以及如何将应力从一层解耦到另一层；而且，玻璃的脆性使得基板越做越薄，以满足现代半导体器件的需求，从而造成了更大的问题。处理和加工这些薄玻璃基板需要格外小心谨慎，因为破损的风险会显著增加；此外，玻璃材质也给检测和计量带来了更大的挑战。

这也正是英特尔推动玻璃方案受到质疑的原因。但现在，似乎雨过天晴了。

英特尔的玻璃基板之路

我们虽然没有找到英特尔玻璃基板的起源，但在2023年，他们就宣布推出业界首批用于下一代先进封装的玻璃基板之一。按照他们的规划，该封装计划于本十年后期推出。这项突破性成果将推动封装内晶体管数量的持续缩小，并进一步推动摩尔定律的发展，从而实现以数据为中心的应用。

按照英特尔当时的说法，与目前的有机基板相比，玻璃具有诸多独特优势，例如超低的平面度以及更优异的热稳定性和机械稳定性，从而能够实现更高的基板互连密度。这些优势将使芯片架构师能够为人工智能 (AI) 等数据密集型工作负载打造高密度、高性能的芯片封装。英特尔有望在本十年后半期向市场推出完整的玻璃基板解决方案，助力业界在 2030 年之后继续推进摩尔定律的发展。

到了今年一月，英特尔晶圆代工在日本NEPCON展会上展示了其EMIB封装技术中集成的“Thick Core”玻璃基板。英特尔团队声称这是独一无二的实现方式，并表示其专为数据中心应用而设计。

据分享的其中一张幻灯片显示，英特尔开发了一种新型高性能核心玻璃基板，其尺寸为78x77毫米，适用于整个封装。该基板可容纳大约两倍于硅片的掩模尺寸，相当于约1716平方毫米（2x858平方毫米）的硅片面积，用于逻辑和存储器。这是首款采用英特尔EMIB多芯片模块技术的10-2-10层厚玻璃核心基板。该结构在基板顶部包含10层重分布层（RDL），用于重新分配来自芯片的信号。这些层负责精细间距布线，英特尔为此专门设置了多达10层。

玻璃基板的核心由两层组成，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) 或电源/接地层的嵌入式金属层。最后的数字“10”表示底部（或背面）的堆叠层数，与顶部镜像对称，以便对称布线连接到主板/PCB。这一层还可以“简化”硅芯片裸露的大量导线，使其更容易与标准主板/PCB连接。英特尔的 10-2-10 玻璃核心基板还配备了市场上最精细的凸点间距之一，仅为 45 微米（0.045 毫米）。最后，英特尔还嵌入了两个用于多芯片模块封装的 EMIB 桥接器，因此可以制造多个更小的芯片，并通过位于玻璃核心上的 EMIB 桥接器将它们互连。

据介绍在测试过程中，英特尔并未遇到任何 SeWaRe 问题，SeWaRe 指的是制造过程中玻璃的微裂纹。由于玻璃本身较脆，SeWaRe 可能在制造过程中以多种形式出现，尤其是在切割基板时，微裂纹更容易产生。当玻璃出现裂纹时，就被称为 SeWaRe。英特尔似乎已经找到了解决方案，无论是通过材料科学还是其他制造工艺，都能有效防止 SeWaRe 的发生。这些玻璃基板的特殊之处在于，目前只有少数几家业内企业在开发这项技术。这是因为 SeWaRe 的难度远高于传统的有机封装工艺。虽然制造工艺更为复杂，但 SeWaRe 也带来了诸多优势，例如更高的耐热性、防止翘曲以及更佳的电气隔离性能，从而降低紧密耦合区域的信号延迟和干扰，实现更高的互连密度。

相关分析人士透露，英特尔在玻璃基板架构、工艺、材料和设备方面积累了超过1000项发明。这并非渐进式的研发，而是系统性的平台重构，旨在彻底解决有机基板无法克服的局限性：翘曲、布线密度、电源完整性以及超大规模下的机械稳定性。

写在最后

在英特尔大局押注玻璃基板的同时，三星、SK和LG等韩国大型企业集团的电子子公司正竞相进军下一代半导体玻璃基板市场。

据韩国媒体在去年11月底的报道，三星电机在其世宗工厂建立了一条玻璃基板试生产线，并于今年开始投产。该公司计划于本月向全球大型科技公司B交付首批样品。

此外，该公司还与日本住友化学集团签署了一份谅解备忘录，探讨成立一家与玻璃基板材料制造相关的合资企业。当时，三星电机总裁张德铉表示：“玻璃芯材是改变未来基板市场格局的关键材料”，并补充道：“我们将巩固技术领先地位，引领先进封装基板生态系统的构建。”

SKC旗下子公司Absolix于2022年在美国佐治亚州开始建设玻璃基板工厂，并自去年以来一直向潜在客户提供样品。该工厂分两期建设：一期工厂已建成，年产能为12,000平方米；二期工厂计划建设，年产能为72,000平方米。

LG Innotek 也正在其龟尾工厂建立一条玻璃基板试生产线。目标是在今年年底前生产出原型产品，并在 2027-2028 年开始量产。

在各自管理层的带领下，这些公司都在积极推动玻璃基板成为新的增长引擎。然而，一线运营人员仍然对玻璃基板的商业化深感担忧。技术挑战和市场不确定性被认为是主要原因。

与传统基板材料相比，玻璃的加工难度极大。如果在切割（单片化）、钻取TGV（玻璃通孔）孔或电镀过程中出现微裂纹，则整个基板都可能出现裂纹（破损）。因此，玻璃基板设备制造商正致力于开发高纵横比TGV的成型技术。

此外，玻璃基板非常平整光滑，难以与基板上的铜材料牢固粘合，这也是一个问题。而且，两种材料的热膨胀系数差异有时会导致芯片在高温环境下出现缺陷。

一位半导体行业封装部门的高管表示：“玻璃基板的可靠性和兼容性问题仍未解决，封装行业在开发新技术时，未必会认为玻璃基板是唯一解决方案。” 他补充道：“我担心，与一线员工的评估水平相比，目前有太多投资未经验证就投入其中。”

本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者：编辑部，36氪经授权发布。