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開啟下一代封裝革命編者按 下一場(chǎng)封裝革命已然打響。英特爾并不是唯一看好玻璃芯基板的企業(yè)。具有玻璃芯的 HDI 基板與有機(jī)樹脂基基板和陶瓷相比，具有更優(yōu)越的性能。例如使用玻璃芯基板（GCS）可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的間距，因此可以實(shí)現(xiàn)極其密集的布線，因?yàn)樗鼒?jiān)硬并且不易因高溫而膨脹；同時(shí)相對(duì)硅基板具有更友好的微波性能和光學(xué)性能。 邁科科技攜手電子科大，自2008年開始研發(fā)，2017年開始工程化。目前已悄然突破Intel所謂的“TGV 的 75μm 間距與 EMIB 的 45μm 間距仍然相去甚遠(yuǎn)，更不用說為 Foveros Direct 計(jì)劃的 <10μm 間距了。”實(shí)現(xiàn)亞10微米通孔間距及垂直互連，走在了TGV先進(jìn)封裝關(guān)鍵技術(shù)的前列。 今天早上，英特爾展示了他們開發(fā)玻璃芯（glass core）基板和芯片相關(guān)封裝工藝的初步工作。由于在玻璃芯研發(fā)方面取得的進(jìn)展，英特爾現(xiàn)在計(jì)劃在本世紀(jì)下半葉將玻璃芯基板引入其產(chǎn)品中，從而使他們能夠以更復(fù)雜、最終性能更高的配置封裝芯片。 按照他們?cè)谛侣劯逯兴f，之所以玻璃基板擁有機(jī)會(huì)，這與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求有重要關(guān)系。 隨著對(duì)更強(qiáng)大計(jì)算的需求增加，以及半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入在封裝中使用多個(gè)“Chiplet”的異構(gòu)時(shí)代，信號(hào)傳輸速度、功率傳輸、設(shè)計(jì)規(guī)則和封裝基板穩(wěn)定性的改進(jìn)將至關(guān)重要。這就使得當(dāng)前正在使用的有機(jī)基板面臨巨大的挑戰(zhàn)，而這也正是玻璃基板所具備的。 英特爾表示，玻璃基板具有卓越的機(jī)械、物理和光學(xué)特性，允許在封裝中連接更多晶體管，從而提供更好的擴(kuò)展性并能夠組裝更大的小芯片（Chiplet）復(fù)合體（稱為“系統(tǒng)級(jí)封裝”）。芯片架構(gòu)師將能夠在一個(gè)封裝上以更小的占地面積封裝更多的塊（也稱為小芯片），同時(shí)以更大的靈活性和更低的總體成本和功耗實(shí)現(xiàn)性能和密度增益。
換而言之，玻璃基板首先能為芯片提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（硅芯片非常脆弱），并且它們也是將來自硅芯片的信號(hào)傳送到其他封裝芯片（即小芯片）或芯片背面有大量相對(duì)較大的引腳/焊盤。而且，隨著多年來芯片尺寸的增加，以及高端芯片所需的引腳/信號(hào)數(shù)量的增加，對(duì)用作基板的更新、更好的材料的需求也在增加，這正是推動(dòng)英特爾發(fā)展的動(dòng)力。 英特爾高級(jí)副總裁兼組裝與測(cè)試開發(fā)總經(jīng)理Babak Sabi表示：“經(jīng)過十年的研究，英特爾已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的先進(jìn)封裝玻璃基板。我們期待提供這些尖端技術(shù)，使我們的主要參與者和代工客戶在未來幾十年受益。” 基板的演變 據(jù)anandtech介紹，芯片產(chǎn)業(yè)對(duì)基板的需求，最早可以追溯到大規(guī)模集成芯片的早期，當(dāng)時(shí)的芯片設(shè)計(jì)達(dá)到了成千上萬個(gè)晶體管。這些小型晶體管需要連接到更大的引腳，以便由相對(duì)龐大的人力安裝到系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生了第一個(gè)芯片封裝，例如雙列直插式封裝。 在當(dāng)時(shí)，它們使用框架（通常是引線框架）來固定實(shí)際的硅芯片，框架（或焊線）提供芯片和外部引腳之間的信號(hào)路徑。
自 70 年代以來，基板設(shè)計(jì)發(fā)生了多次演變。金屬框架在 90 年代被經(jīng)典陶瓷芯片所取代，然后在世紀(jì)之交被有機(jī)封裝所取代。最重要的是，每次迭代的基板都比上一次具有更好的性能，從而可以更輕松地將大量信號(hào)和電源引腳布線到日益復(fù)雜的芯片上。
雖然現(xiàn)在你仍會(huì)到處發(fā)現(xiàn)引線框架和陶瓷芯片，但有機(jī)基板在過去幾十年中一直是該行業(yè)的支柱。 據(jù)了解，有機(jī)基板的材料主要由類似 PCB 的材料和編織玻璃層壓板制成，允許通過芯片路由相當(dāng)多的信號(hào)，包括基本的小芯片設(shè)計(jì)，例如英特爾的移動(dòng)處理器（具有單獨(dú)的 PCH 和 CPU 芯片）以及 AMD 基于小芯片的 Zen 處理器。 但有機(jī)基板已經(jīng)成為限制因素一段時(shí)間了，尤其是在高端芯片中。英特爾認(rèn)為，有機(jī)基板將在未來幾年達(dá)到其能力的極限，因?yàn)樵摴緦⑸a(chǎn)面向數(shù)據(jù)中心的 SiP，具有數(shù)十個(gè)tiles，功耗可能高達(dá)數(shù)千瓦。此類 SiP 需要小芯片之間非常密集的互連，同時(shí)確保整個(gè)封裝在生產(chǎn)過程中或使用過程中不會(huì)因熱量而彎曲。 為此，過去十年中，我們看到了超高密度互連接口的興起，例如硅中介層（基板上晶圓上的芯片）及其衍生產(chǎn)品（例如英特爾自己的 EMIB）。這些技術(shù)使得公司能夠?qū)⑿酒年P(guān)鍵路徑與快速而致密的硅片連接在一起，但成本相當(dāng)高，而且無法完全解決有機(jī)基板的缺點(diǎn)。 因此，英特爾也一直在尋找有機(jī)基板的真正替代品，一種能夠與大型芯片完美配合的基板，這雖然不能在最高級(jí)別取代 CoWoS/EMIB 的需求，但可以提供比當(dāng)前有機(jī)基板更好的信號(hào)性能和更密集的布線。
按照英特爾所說，在過去的十多年來里，公司一直在研究和評(píng)估玻璃基板作為有機(jī)基板替代品的可靠性。公司在亞利桑那州錢德勒的園區(qū)擁有一條完全集成的玻璃研發(fā)線，該公司在那里開發(fā)封裝技術(shù)。英特爾表示，這條生產(chǎn)線的成本超過 10 億美元，為了使其正常運(yùn)行，它需要與設(shè)備和材料合作伙伴合作。業(yè)內(nèi)只有少數(shù)公司能夠負(fù)擔(dān)得起此類投資，而英特爾似乎是迄今為止唯一一家開發(fā)出玻璃基板的公司。 值得一提的是，英特爾在實(shí)現(xiàn)下一代封裝方面擁有悠久的歷史，在 20 世紀(jì) 90 年代，他們引領(lǐng)了行業(yè)從陶瓷封裝向有機(jī)封裝的轉(zhuǎn)變，也是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)鹵素和無鉛封裝的公司，并且是先進(jìn)嵌入式芯片的封裝技術(shù)的發(fā)明者。英特爾還是業(yè)界首個(gè)推出主動(dòng)3D堆疊技術(shù)的公司。因此，英特爾能夠圍繞這些技術(shù)解鎖從設(shè)備、化學(xué)品和材料供應(yīng)商到基板制造商的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。 英特爾的玻璃基板革命 英特爾院士兼 Substrate TD 模塊工程高級(jí)總監(jiān) Rahul Manepalli在一個(gè)視頻中表示，與有機(jī)基板相比，玻璃芯基板在封裝技術(shù)方面提供了實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。與有機(jī)材料一樣，玻璃還可以制造成各種尺寸。 按照Rahul 的說法，有機(jī)基材是一種復(fù)合材料，而玻璃是一種均質(zhì)的非晶態(tài)材料。這就使得英特爾能夠調(diào)整玻璃基板的特性，使其更接近硅的特性，從為許多性能和密度增強(qiáng)提供了機(jī)會(huì)。
根據(jù)英特爾的介紹，其玻璃芯基板的核心在于用玻璃取代有機(jī)封裝中的有機(jī)、類似 PCB 的材料。換而言之，英特爾不會(huì)將芯片直接安裝在純玻璃上，而是把基板核心的材料替換成玻璃。同時(shí)，金屬重新分布層（RDL）仍然存在于芯片的兩側(cè)，提供各種焊盤和焊點(diǎn)之間的實(shí)際路徑。 雖然玻璃基板比現(xiàn)在成熟的有機(jī)基板更難加工，但英特爾認(rèn)為玻璃基板在機(jī)械和電氣性能方面都更優(yōu)越，這反過來又使其適合在未來的芯片中使用。 英特爾表示，玻璃芯基板的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于有機(jī)基板；在封裝過程中能夠比有機(jī)基材更好地承受更高的溫度，從而減少翹曲和變形；玻璃也更容易變得平坦，這使得封裝和光刻變得更容易；玻璃具有與硅相似的熱膨脹系數(shù)（與有機(jī)基板不同），這意味著仍然因熱量而發(fā)生的微小翹曲與上面的芯片一致，而不是芯片的不同部分以不同的速率膨脹。 英特爾稱，為了彌合機(jī)械和電氣之間的差距，他們還能夠在玻璃通孔（TGV）上實(shí)現(xiàn)更緊密的間距，從而通過基板本身傳輸信號(hào)，從而允許整體上有更多數(shù)量的通孔。按照英特爾提供的數(shù)據(jù)，他們能夠?qū)?TGV 的間距控制在 100 微米 (μm) 以內(nèi)，從而將 TGV 密度提高 10 倍。所有這些最終使得通過基板核心路由信號(hào)變得更加靈活，并且在某種程度上使得使用更少的 RDL 層路由信號(hào)變得更加容易。 這就讓實(shí)現(xiàn)更大的芯片變得容易，而且允許在相同尺寸的芯片上放置更多的芯片。英特爾聲稱，玻璃封裝將使他們能夠在芯片上放置多 50% 的芯片，或者更確切地說，芯片內(nèi)的芯片復(fù)雜區(qū)域可能會(huì)大 50%，從而實(shí)現(xiàn)比英特爾目前所能制造的更密集的芯片封裝。 英特爾表示，玻璃基板可實(shí)現(xiàn)更高的互連密度（即更緊密的間距），從而使互連密度增加十倍成為可能，這對(duì)于下一代SiP的電力傳輸和信號(hào)路由至關(guān)重要。特別是，英特爾正在談?wù)?<5/5um 線/間距和 <100um 玻璃通孔 (TGV) 間距，這使得基板上的芯片到芯片凸塊間距 <36um，核心凸塊間距 <80um。此外，玻璃基板可將圖案畸變減少 50%，從而提高光刻的焦深并確保半導(dǎo)體制造更加精密和準(zhǔn)確。
來到電氣性能方面，據(jù)英特爾透露，玻璃芯基板（更具體地說是 TGV）也能提供更好的表示，這是由于 TGV 中使用的電介質(zhì)具有低損耗特性，而且數(shù)量大得多，因此玻璃芯基板將實(shí)現(xiàn)更清潔的信號(hào)路由和電力傳輸。對(duì)于前者，這意味著能夠通過銅纜發(fā)送 448G 信號(hào)，而不必使用光纖互連。與此同時(shí)，較低損耗的電力傳輸將減少在到達(dá)處理器芯片之前以熱量形式損失的能量，從而進(jìn)一步提高整體芯片效率。 此外，玻璃芯基板還應(yīng)該使共同封裝的光學(xué)器件更容易實(shí)現(xiàn)。玻璃基板將允許光學(xué)互連直接集成到芯片中，而不必以其他方式將其固定。 不過，正如anandtech報(bào)道說，雖然玻璃芯基板比有機(jī)基板允許更緊密的信號(hào)間距，但它們并不能替代 EMIB、Foveros 或其他基于使用硅介質(zhì)的更先進(jìn)的封裝技術(shù)。TGV 的 75μm 間距與 EMIB 的 45μm 間距仍然相去甚遠(yuǎn)，更不用說為 Foveros Direct 計(jì)劃的 <10μm 間距了。因此，所有這些封裝技術(shù)仍將是玻璃芯基板的補(bǔ)充附加技術(shù)，最多可以在不需要 EMIB 全面密度改進(jìn)的產(chǎn)品的邊緣情況下取代 EMIB。
為了證明該技術(shù)的有效性，英特爾發(fā)布了一款全功能測(cè)試芯片，該芯片采用 75um TGV，長(zhǎng)寬比為 20:1，核心厚度為 1 毫米。雖然測(cè)試芯片是客戶端設(shè)備，但該技術(shù)最初將用于構(gòu)建面向數(shù)據(jù)中心的處理器。但當(dāng)技術(shù)變得更加成熟后，它將用于客戶端計(jì)算應(yīng)用程序。英特爾提到圖形處理器是該技術(shù)的可能應(yīng)用之一，由于 GPU 可以消耗任意數(shù)量的晶體管，因此它們很可能會(huì)受益于互連密度的增加和玻璃基板剛性的提高。 “玻璃基板最初將被引入需要更大外形封裝（即數(shù)據(jù)中心、人工智能、圖形）和更高速度功能的應(yīng)用程序和工作負(fù)載的市場(chǎng)。”英特爾說。
只是一個(gè)開始 雖然英特爾的這個(gè)宣布讓大家感到震撼，但從英特爾的講解看來，這個(gè)技術(shù)離量產(chǎn)還有一段時(shí)間。“如果英特爾的產(chǎn)品開發(fā)按計(jì)劃進(jìn)行，我們打算在本十年晚些時(shí)候開始發(fā)貨玻璃芯產(chǎn)品。”英特爾方面表示。 對(duì)于這家有著遠(yuǎn)大志向的企業(yè)，英特爾也不會(huì)保留這項(xiàng)技術(shù)。作為該公司成為世界級(jí)代工廠的更廣泛計(jì)劃的一部分，英特爾也將適時(shí)向 IFS 客戶提供玻璃芯基板。 不過，正如anandtech所說，雖然英特爾更興奮地談?wù)摬Ａ净宓膬?yōu)點(diǎn)以及他們發(fā)現(xiàn)迄今為止效果良好的東西，但一個(gè)不可避免的因素是成本。與任何新技術(shù)一樣，玻璃芯基板的生產(chǎn)和封裝成本將比經(jīng)過驗(yàn)證的真正（且便宜）的有機(jī)基板更昂貴。雖然英特爾目前還沒有談?wù)摿悸剩Ａ⒑茈y與有機(jī)材料競(jìng)爭(zhēng)，至少在一開始是這樣。 更廣泛地說，玻璃芯基板還意味著英特爾需要為該材料建立一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)。如今，它們不再與有機(jī)基板垂直集成，也不會(huì)與玻璃垂直集成。為此，英特爾目前已經(jīng)與合作伙伴合作開發(fā)必要的工具和供應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)化生產(chǎn)。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，英特爾將需要弄清楚如何使外包測(cè)試和組裝成為可能，特別是因?yàn)橛⑻貭栍?jì)劃未來向 IFS 客戶提供玻璃核心基板。 同時(shí)，英特爾并不是唯一看好玻璃芯基板的企業(yè)。在今年年初，來自日本的大日本印刷 (DNP)就展示了公司的玻璃芯基板 (GCS)產(chǎn)。據(jù)他們所說，這可以解決其中許多挑戰(zhàn)。 他們指出，具有玻璃芯的 HDI 基板與有機(jī)樹脂基基板相比，具有更優(yōu)越的性能。例如使用玻璃芯基板（GCS）可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的間距，因此可以實(shí)現(xiàn)極其密集的布線，因?yàn)樗鼒?jiān)硬并且不易因高溫而膨脹。在DNP 展示的示意圖中，甚至完全省略了封裝中的細(xì)間距基板，這意味著可能不再需要該部件。
DNP還聲稱，其玻璃芯基板可以提供高縱橫比的高玻璃通孔 (TGV) 密度（與 FPS 兼容）。在這種情況下，長(zhǎng)寬比是玻璃厚度與通孔直徑之間的比率。隨著通孔數(shù)量的增加和比例的增加，基板的加工變得更加困難，并且保持剛性變得更加具有挑戰(zhàn)性。 總之，下一場(chǎng)封裝革命已然打響。 來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者編輯部 |
