以下文章來源于逍遙設(shè)計(jì)自動化，作者逍遙科技

引言

玻璃基板正在改變半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)，通過提供優(yōu)異的電氣和機(jī)械性能來滿足人工智能和高性能計(jì)算應(yīng)用不斷增長的需求。隨著摩爾定律持續(xù)放緩，通過先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成已成為達(dá)到最佳性能成本比的主要方法[1]。

01當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀

由生成式人工智能采用加速的數(shù)據(jù)生成和處理指數(shù)級增長，對計(jì)算系統(tǒng)提出了巨大需求。GPU內(nèi)存帶寬已成為AI持續(xù)改進(jìn)的主要瓶頸，使系統(tǒng)帶寬和每比特能耗成為關(guān)鍵性能指標(biāo)。行業(yè)趨勢顯示，越來越依賴基板和interposer，使用2D和2.5D架構(gòu)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(jìn)路線圖，顯示從2017年到2026年間距縮小和復(fù)雜性增加的進(jìn)展。

TSMC CoWoS和Intel EMIB等硅interposer代表兩個主導(dǎo)平臺，利用后端工藝基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)超高I/O密度。近期GPU發(fā)展說明對更大基板和更密集互連的需求不斷增長，以支持?jǐn)?shù)萬個I/O和HBM堆棧。TSMC的晶圓級系統(tǒng)架構(gòu)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(shí)現(xiàn)高達(dá)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(dāng)前方法在可靠性和可擴(kuò)展性方面面臨重大挑戰(zhàn)。在再分布層中嵌入大量橋接器需要密集assembly且容易因環(huán)氧模塑化合物與橋接材料之間熱膨脹系數(shù)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(kuò)展扇出interposer的關(guān)鍵障礙。

02玻璃基板優(yōu)勢

玻璃基板提供硅精度和環(huán)氧模塑化合物可擴(kuò)展性的獨(dú)特組合，定位為未來異構(gòu)集成的變革性使能技術(shù)。主要優(yōu)勢包括通過成分調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)機(jī)械性能、由于均勻結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)異尺寸穩(wěn)定性、利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)與大面板制造的兼容性，以及通過微結(jié)構(gòu)特征如通孔和腔體實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)集成能力。

通孔玻璃孔在10 GHz時比硅實(shí)現(xiàn)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(dá)70 Gb/s的快速數(shù)據(jù)速率。由于較低的介電常數(shù)，TGV進(jìn)一步將孔間噪聲耦合比硅通孔減少兩倍以上，確認(rèn)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(shù)

TGV采用專用工藝技術(shù)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(jìn)展。

激光鉆孔代表玻璃基板中形成孔的最廣泛采用技術(shù)。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(zhǔn)分子激光器優(yōu)選用于以最小應(yīng)力鉆孔，因?yàn)楦吣芄庾右l(fā)光化學(xué)反應(yīng)，通過破壞玻璃內(nèi)的化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)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(dǎo)深蝕刻(LIDE)，應(yīng)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(nèi)創(chuàng)建激光影響區(qū)。第二步，通過濕化學(xué)蝕刻選擇性去除改性區(qū)域，因?yàn)榧す庥绊憛^(qū)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(yōu)選，因?yàn)閮A斜側(cè)壁允許更好的覆蓋。然而，濺射在大面板上實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)濕金屬化工藝。

04制造和商業(yè)發(fā)展

大批量制造玻璃基板面臨若干挑戰(zhàn)，主要源于材料脆性和實(shí)現(xiàn)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(xù)制造步驟中傳播。關(guān)鍵措施包括自動化機(jī)器人基板處理、嚴(yán)格的來料質(zhì)量控制、玻璃與封裝組件之間仔細(xì)的熱膨脹系數(shù)匹配，以及統(tǒng)計(jì)缺陷監(jiān)控。

圖5：SeWaRe切割失效的說明。

過去兩年，主要半導(dǎo)體和封裝公司宣布了開發(fā)和商業(yè)化玻璃芯基板的努力。公司正在投資試點(diǎn)線、演示原型并建設(shè)新的研發(fā)和生產(chǎn)設(shè)施。多家公司計(jì)劃在未來幾年將產(chǎn)品推向市場，其中一些已開始試生產(chǎn)，為商業(yè)部署做準(zhǔn)備。

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

TGV的形成和金屬化是減緩玻璃基板采用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。問題的第一部分是TGV的良率和重復(fù)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(fù)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(xué)工藝的局部變化。

05先進(jìn)應(yīng)用和未來發(fā)展

玻璃基板技術(shù)的未來指向系統(tǒng)級面板架構(gòu)，可能涵蓋整個數(shù)據(jù)中心機(jī)架。這種演進(jìn)需要將互連特征縮小到近單片級別，同時擴(kuò)展以在大型封裝中實(shí)現(xiàn)密集、異構(gòu)集成。最終目標(biāo)是支持每個封裝多達(dá)一百萬個I/O或每個面板數(shù)千萬個I/O，代表復(fù)雜電子系統(tǒng)集成和制造方式的根本轉(zhuǎn)變。

玻璃panel嵌入已成為高密度封裝領(lǐng)域的有效進(jìn)展，通過在結(jié)構(gòu)化玻璃基板內(nèi)嵌入芯片實(shí)現(xiàn)異構(gòu)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(shí)現(xiàn)信號和電源再分布。

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

光學(xué)集成代表玻璃基板的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。微結(jié)構(gòu)玻璃基板的能力為先進(jìn)光學(xué)集成，特別是在光電共封裝背景下提供關(guān)鍵支持。多種波導(dǎo)制造技術(shù)是可能的，包括離子交換擴(kuò)散、飛秒激光誘導(dǎo)折射率改性和填充光學(xué)透明聚合物的通孔玻璃孔，支持平面和垂直(3D)波導(dǎo)架構(gòu)。

毫米波互連和組件利用先進(jìn)玻璃處理技術(shù)，表現(xiàn)出低損耗、最小色散、高功率處理能力和優(yōu)異寬帶性能。玻璃基板的優(yōu)異尺寸穩(wěn)定性進(jìn)一步支持細(xì)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(jié)構(gòu)和堆疊配置，包括5G頻段和D頻段設(shè)計(jì)的制造樣品。

玻璃基板技術(shù)的發(fā)展需要解決若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)。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(zhì)和無機(jī)玻璃性質(zhì)之間的不匹配。為繼續(xù)使用玻璃基板進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，開發(fā)和采用低應(yīng)力材料和工藝十分必要。

在500 mm × 500 mm玻璃面板規(guī)模上實(shí)現(xiàn)小于1微米的線/間距公差需要后端級精度。玻璃已提供優(yōu)異的平整度和剛度，但傳統(tǒng)聚合物電介質(zhì)和半加法工藝無法提供相同精度水平，并且隨著層的構(gòu)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(shù)。