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引言

玻璃基板正在改變半導體封裝產業，通過提供優異的電氣和機械性能來滿足人工智能和高性能計算應用不斷增長的需求。隨著摩爾定律持續放緩，通過先進封裝實現系統集成已成為達到最佳性能成本比的主要方法[1]。

01當前技術現狀

由生成式人工智能采用加速的數據生成和處理指數級增長，對計算系統提出了巨大需求。GPU內存帶寬已成為AI持續改進的主要瓶頸，使系統帶寬和每比特能耗成為關鍵性能指標。行業趨勢顯示，越來越依賴基板和interposer，使用2D和2.5D架構集成多個芯片。

圖1：英特爾封裝形式因子和D2D互連間距演進路線圖，顯示從2017年到2026年間距縮小和復雜性增加的進展。

TSMC CoWoS和Intel EMIB等硅interposer代表兩個主導平臺，利用后端工藝基礎設施實現超高I/O密度。近期GPU發展說明對更大基板和更密集互連的需求不斷增長，以支持數萬個I/O和HBM堆棧。TSMC的晶圓級系統架構展示了這一趨勢，包含16個全reticle尺寸ASIC、80個HBM4模塊和100個局部硅互連橋，實現高達260 TB/s的芯片間帶寬。

圖2：TSMC的SoW-X測試載體平面圖，顯示ASIC、HBM模塊、I/O芯片和局部硅互連在圓形配置中的排列。

當前方法在可靠性和可擴展性方面面臨重大挑戰。在再分布層中嵌入大量橋接器需要密集assembly且容易因環氧模塑化合物與橋接材料之間熱膨脹系數不匹配而失效。固化過程中收縮引起的芯片位移可能在大晶圓上超過100-200微米，仍是擴展扇出interposer的關鍵障礙。

02玻璃基板優勢

玻璃基板提供硅精度和環氧模塑化合物可擴展性的獨特組合，定位為未來異構集成的變革性使能技術。主要優勢包括通過成分調節實現的可調機械性能、由于均勻結構帶來的優異尺寸穩定性、利用現有基礎設施實現與大面板制造的兼容性，以及通過微結構特征如通孔和腔體實現的增強集成能力。

通孔玻璃孔在10 GHz時比硅實現超過1-2 dB的較低插入損耗，在長距離上保持超過0.6 V的眼圖開口，抖動小于2 ps，支持高達70 Gb/s的快速數據速率。由于較低的介電常數，TGV進一步將孔間噪聲耦合比硅通孔減少兩倍以上，確認玻璃基板可以在較低成本下匹配或超越硅級互連密度和電氣性能，同時支持面板級制造。

03通孔玻璃孔技術

TGV采用專用工藝技術制造，分為兩個主要階段：孔形成和金屬化。孔形成方法包括激光鉆孔、等離子體輔助選擇性蝕刻和光敏玻璃基板中的光圖案化。孔形成后，金屬化通過濺射鈦/銅種子層后電鍍、無電解銅種子沉積后電鍍或直接電鍍在頂部和底部表面之間建立電連接。

圖3：TGV制造步驟流程圖，說明從孔形成通過種子層沉積到電鍍的進展。

激光鉆孔代表玻璃基板中形成孔的最廣泛采用技術。玻璃在深紫外(180-280 nm)和紅外(9.6-10.6 μm)波長吸收輻射。相比CO2激光器，193 nm準分子激光器優選用于以最小應力鉆孔，因為高能光子引發光化學反應，通過破壞玻璃內的化學鍵實現材料去除。

激光也可用于局部改性玻璃，隨后蝕刻形成孔。這種方法通常稱為激光誘導深蝕刻(LIDE)，應用于制造小直徑、高縱橫比TGV。首先使用貝塞爾光束超短激光在玻璃內創建激光影響區。第二步，通過濕化學蝕刻選擇性去除改性區域，因為激光影響區域的蝕刻速率比周圍玻璃顯著更高。

圖4：Sukumaran等人用于雙金屬層玻璃interposer制造的工藝流程和制造的interposer截面圖像。

TGV金屬化存在兩種主要的種子層沉積方法：濺射和無電解沉積。在濺射中，通常使用Ti/Cu種子層。錐形或腰形孔在此方法中優選，因為傾斜側壁允許更好的覆蓋。然而，濺射在大面板上實現均勻沉積和高縱橫比TGV中有局限性。無電解銅沉積是低成本替代方案，廣泛用作標準濕金屬化工藝。

04制造和商業發展

大批量制造玻璃基板面臨若干挑戰，主要源于材料脆性和實現高TGV良率。裂紋和劃痕常在處理過程中引入，特別是在邊緣，微小缺陷可能在后續制造步驟中傳播。關鍵措施包括自動化機器人基板處理、嚴格的來料質量控制、玻璃與封裝組件之間仔細的熱膨脹系數匹配，以及統計缺陷監控。

圖5：SeWaRe切割失效的說明。

過去兩年，主要半導體和封裝公司宣布了開發和商業化玻璃芯基板的努力。公司正在投資試點線、演示原型并建設新的研發和生產設施。多家公司計劃在未來幾年將產品推向市場，其中一些已開始試生產，為商業部署做準備。

圖6：由(a) Absolics和(b) Intel制造的玻璃基板圖片，顯示大規模面板生產能力。

TGV的形成和金屬化是減緩玻璃基板采用的關鍵挑戰。問題的第一部分是TGV的良率和重復性。精確控制孔徑(頂部、底部和腰部)對可靠的物理氣相沉積種子層覆蓋必不可少。沙漏或凹入孔形狀使沉積復雜化，常需要雙面PVD。CD變化可能來自激光和玻璃成分或化學工藝的局部變化。

05先進應用和未來發展

玻璃基板技術的未來指向系統級面板架構，可能涵蓋整個數據中心機架。這種演進需要將互連特征縮小到近單片級別，同時擴展以在大型封裝中實現密集、異構集成。最終目標是支持每個封裝多達一百萬個I/O或每個面板數千萬個I/O，代表復雜電子系統集成和制造方式的根本轉變。

玻璃panel嵌入已成為高密度封裝領域的有效進展，通過在結構化玻璃基板內嵌入芯片實現異構集成。與基于TSV的2.5D和3D硅interposer不同，GPE允許將已知良品芯片被動集成到玻璃腔中，通過多層聚合物再分布層實現信號和電源再分布。

圖7：嵌入玻璃中的芯片的不同架構和assembly與毛細管底部填充后的嵌入式玻璃Interposer封裝。

光學集成代表玻璃基板的另一個重要應用領域。微結構玻璃基板的能力為先進光學集成，特別是在光電共封裝背景下提供關鍵支持。多種波導制造技術是可能的，包括離子交換擴散、飛秒激光誘導折射率改性和填充光學透明聚合物的通孔玻璃孔，支持平面和垂直(3D)波導架構。

毫米波互連和組件利用先進玻璃處理技術，表現出低損耗、最小色散、高功率處理能力和優異寬帶性能。玻璃基板的優異尺寸穩定性進一步支持細線圖案化，確保阻抗匹配和最小插入損耗。

圖8：玻璃上的CPW結構和堆疊配置，包括5G頻段和D頻段設計的制造樣品。

玻璃基板技術的發展需要解決若干關鍵挑戰。制造過程中和單片分離后的玻璃開裂是限制更大面板和封裝尺寸的主要因素。根本原因在于聚合物電介質和無機玻璃性質之間的不匹配。為繼續使用玻璃基板進行系統擴展，開發和采用低應力材料和工藝十分必要。

在500 mm × 500 mm玻璃面板規模上實現小于1微米的線/間距公差需要后端級精度。玻璃已提供優異的平整度和剛度，但傳統聚合物電介質和半加法工藝無法提供相同精度水平，并且隨著層的構建而降低公差。面板級平坦化將是未來改善公差的重要技術。