近期，玻璃基板概念橫空出世，通達(dá)信及東方財(cái)富Choice 等行情軟件均推出相關(guān)概念板塊及指數(shù)，原因是“大摩爆料GB200 將使用玻璃基板”及“英特爾加大了對(duì)多家設(shè)備和材料供應(yīng)商的訂單，積極備戰(zhàn)下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板”等消息的共振。

實(shí)際上，我們經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，按照上述多重消息的指向，該玻璃基板概念實(shí)際上指的是用于半導(dǎo)體封裝過(guò)程中的轉(zhuǎn)接板之用，利用玻璃通孔（TGV）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片電路連接，實(shí)現(xiàn)2.5D/3D 封裝，以滿足AI+Chiplet 趨勢(shì)化需求。需要注意的是，目前市場(chǎng)火熱的玻璃基板概念股，有的是與顯示相關(guān)，有的甚至純粹是炒作，真正用于半導(dǎo)體封裝的產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品并不多。本期封面文章我們就將簡(jiǎn)明扼要地對(duì)TGV 技術(shù)做介紹和分析，希望對(duì)各位讀者辨別“ 李逵”和“ 李鬼”有所幫助。

2.5D/3D封裝工藝中的TSV技術(shù)

我們都知道，要實(shí)現(xiàn)芯片性能的提升就需要堆疊更多的晶體管，根據(jù)“摩爾定律”，芯片上容納的晶體管數(shù)目每18 到24 個(gè)月增加一倍。近幾十年來(lái)，隨著“摩爾定律”的發(fā)展，由于單位面積堆疊的晶體管越來(lái)越多，因此芯片得以不斷微型化，這造就了諸多便攜式電子產(chǎn)品的問(wèn)世，如智能手機(jī)、電腦、筆記本等等。

但“摩爾定律”終有觸及天花板的時(shí)候，自從晶圓制造進(jìn)入14nm、7nm、5nm 直至最新的3nm 工藝，“摩爾定律”的有效性越來(lái)越受到挑戰(zhàn)：工藝進(jìn)步越來(lái)越難，性能也提升有限，且成本上升巨大。

隨著近兩年來(lái)AI 的火熱，AI 服務(wù)器對(duì)于算力的需求出現(xiàn)井噴，而強(qiáng)大的算力當(dāng)然需要強(qiáng)大的芯片，那么強(qiáng)大的芯片只能通過(guò)不斷進(jìn)步的光刻工藝嗎？當(dāng)然不是，由于目前的芯片已經(jīng)非常很微型化了，加上服務(wù)器并不像消費(fèi)電子那樣對(duì)輕薄化要求那么高，另一條思路就誕生了——堆疊更多芯片在一起達(dá)成算力提升。打個(gè)不是很形象的比喻就是一節(jié)火車頭不夠用那就多加兩節(jié)，猶如詹天佑當(dāng)年的解決思路。

由此產(chǎn)生了問(wèn)題，芯片堆疊如何實(shí)現(xiàn)？

也因此，對(duì)于封裝技術(shù)又有了新的要求，以期可以實(shí)現(xiàn)更高的I/O 密度、更快的信號(hào)傳輸速度和更好的電熱性能，從而提高芯片的性能和功能。并且，還需要兼顧降低芯片的功耗和體積，提升芯片的可靠性和生產(chǎn)效率。

根據(jù)東方財(cái)富證券鄒杰的研報(bào)，目前先進(jìn)封裝分為兩大類（見圖一）：

一、基于XY 平面延伸的先進(jìn)封裝技術(shù)，主要通過(guò)RDL（ReDistributionLayer，重布線層工藝）進(jìn)行信號(hào)的延伸和互連；

二、基于Z 軸延伸的先進(jìn)封裝技術(shù)，主要是通過(guò)TSV（Through Silicon Via，硅通孔）進(jìn)行信號(hào)延伸和互連。

圖一：先進(jìn)封裝兩大類型

資料來(lái)源：先藝電子官網(wǎng)，東方財(cái)富證券研究所

顯然，芯片堆疊屬于第二種。通過(guò)TSV 技術(shù)，可以將多個(gè)芯片進(jìn)行垂直堆疊并互連。按照集成類型的不同分為2.5D TSV 和3D TSV，2.5D TSV 指的是位于硅轉(zhuǎn)接板（Silicon Inteposer）上的TSV，3D TSV 是指貫穿芯片體之中，連接上下層芯片的TSV。在3D TSV 中，芯片相互靠近，所以延遲會(huì)更少，且互連長(zhǎng)度縮短，能減少相關(guān)寄生效應(yīng)，使器件以更高的頻率運(yùn)行，從而轉(zhuǎn)化為性能改進(jìn)，并更大程度的降低成本。TSV 的尺寸范圍比較大，大的超過(guò)100um，小的小于1um。隨著工藝水平提升，TSV 可以越做越小，密度越來(lái)越大，目前最先進(jìn)的工藝，可在1 平方毫米硅片上制作10 萬(wàn)-100 萬(wàn)個(gè)TSV。（見圖二）

根據(jù)中泰電子王芳等聯(lián)名的報(bào)告，TSV 技術(shù)是目前唯一的垂直電互連技術(shù)。

TGV：TSV 的升級(jí)

TGV 正是對(duì)TSV 的升級(jí)。（見圖三）

根據(jù)東財(cái)研報(bào)，這是由于硅基轉(zhuǎn)接板存在兩個(gè)主要問(wèn)題：

一、成本高，TSV 制作采用硅刻蝕工藝，隨后硅通孔需要氧化絕緣層、薄晶圓的拿持等技術(shù)；

二、電學(xué)性能差，硅材料屬于半導(dǎo)體材料，傳輸線在傳輸信號(hào)時(shí)，信號(hào)與襯底材料有較強(qiáng)的電磁耦合效應(yīng)，襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，造成信號(hào)完整性較差（插損、串?dāng)_等）。

相較硅基轉(zhuǎn)接板，玻璃轉(zhuǎn)接板優(yōu)勢(shì)顯著。玻璃轉(zhuǎn)接板有諸多優(yōu)勢(shì)：

一、低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8；

二、優(yōu)良的高頻電學(xué)特性：玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3 左右，損耗因子比硅材料低2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，使得襯底損耗和寄生效應(yīng)大大減小，可以有效提高傳輸信號(hào)的完整性；

三、大尺寸超薄玻璃襯底易于獲?。嚎祵帯⑿裣踝右约靶ぬ氐炔ＡS商可以量產(chǎn)超大尺寸（大于2m×2m）和超?。ㄐ∮?0μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；

四、工藝流程簡(jiǎn)單：不需要在襯底表面及TGV 內(nèi)壁沉積絕緣層，且超薄轉(zhuǎn)接板不需要二次減?。?/p>

五、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)：當(dāng)轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm 時(shí)，翹曲依然較小。

圖二：3D TSV結(jié)構(gòu)

來(lái)源：《先進(jìn)封裝與異構(gòu)集成》，中泰證券研究所

圖三：TGV工藝示意圖

資料來(lái)源：臺(tái)灣工研院官網(wǎng)，東方財(cái)富證券研究所

TGV 遠(yuǎn)期成長(zhǎng)空間廣闊

英偉達(dá)的H100 加速計(jì)算卡采用臺(tái)積電CoWoS-S（S表示硅轉(zhuǎn)接板）2.5D 封裝技術(shù)，在硅轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)7 組芯片互連，包括中間的H100 GPU die 及周圍6 堆HBM 內(nèi)存。AMD（超威半導(dǎo)體）MI300 采取類似布局，以CoWoS 工藝在硅轉(zhuǎn)接板上封裝6 顆GPU、3 顆CPU 及8 組HBM 內(nèi)存。國(guó)內(nèi)方面，壁仞科技BR100 系列GPU 也采用CoWoS-S 封裝，將2 顆計(jì)算芯?；ミB，實(shí)現(xiàn)算力的跨越式提升。

CoWoS 封裝的核心之一為硅轉(zhuǎn)接板及TSV 工藝，但其存在成本高和電學(xué)性能差等不足，而玻璃轉(zhuǎn)接板及TGV 工藝具有低成本、易獲取、高頻電學(xué)特性優(yōu)良等特性，因此，東財(cái)鄒杰認(rèn)為，TGV 有望作為前者替代品，成為先進(jìn)封裝核心演進(jìn)方向之一，疊加AI 浪潮之下加速計(jì)算芯片需求高增，TGV 遠(yuǎn)期成長(zhǎng)空間廣闊。

其實(shí)，不止可用于轉(zhuǎn)接板，搭配TGV 技術(shù)，玻璃基板的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，透明、氣密性好、耐腐蝕等性能優(yōu)點(diǎn)使玻璃通孔在光電系統(tǒng)集成領(lǐng)域、MEMS 封裝領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，也可以作為IC 載板使用，以在部分領(lǐng)域替代現(xiàn)在主流的ABF。

Chiplet 技術(shù)風(fēng)潮之下產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向大尺寸封裝及小芯片設(shè)計(jì)，大型數(shù)據(jù)中心GPU 均使用小芯片封裝，一片載板上最多可封裝50 顆芯片，只要有一顆封裝不良，就會(huì)導(dǎo)致整片報(bào)廢。因此封裝重要程度日漸提升，進(jìn)而給封裝材料提出新需求。ABF 載板已有劣勢(shì)顯露，其粗糙表面會(huì)對(duì)超精細(xì)電路的固有性能產(chǎn)生負(fù)面影響。作為替代方案的玻璃載板進(jìn)入視線，玻璃載板具有比ABF 載板更光滑的表面，厚度降低四分之一以上，且使芯片的性能提高、功耗下降。

2023 年3 月DNP（大日本印刷株式會(huì)社）發(fā)布了針對(duì)下一代半導(dǎo)體封裝的玻璃芯載板（GCS，GlassCore‐Substrate）。新產(chǎn)品用玻璃基板取代了傳統(tǒng)的樹脂基板（如倒裝芯片球柵陣列）。通過(guò)使用高密度玻璃通孔（TGV）技術(shù)提供比基于現(xiàn)有技術(shù)更高性能的半導(dǎo)體封裝，且該產(chǎn)品的制造工藝還可以支持對(duì)更高效率和更大尺寸載板的需求（見圖四）東財(cái)鄒杰認(rèn)為，盡管玻璃載板商業(yè)化尚需時(shí)日，但其有望成為載板行業(yè)的規(guī)則改變者。

根據(jù)MarketsandMarkets 最近的研究，全球玻璃基板市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2023 年的71 億美元增長(zhǎng)到2028 年的84億美元，2023 年至2028 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為3.5%。在AI 的大勢(shì)之下，目前，已有包括英特爾、AMD、三星等多家大廠公開表示入局玻璃基板封裝。

大規(guī)模應(yīng)用仍需再等等

雖然A 股市場(chǎng)已經(jīng)熱火朝天，但可真正用于半導(dǎo)體封裝的產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品并不多。目前玻璃基板主要應(yīng)用于顯示面板的制造中，大多國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈廠商的應(yīng)用暫時(shí)也僅限于顯示場(chǎng)景。半導(dǎo)封裝的玻璃基板要求比顯示玻璃基板要求更高，高性能的玻璃基板成本較高，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品整體成本增加。

另外，根據(jù)財(cái)聯(lián)社報(bào)道，“ GB200 將使用玻璃基板封裝”這一說(shuō)辭也并不準(zhǔn)確。盡管此次大摩用了一整頁(yè)的篇幅介紹玻璃基板封裝，但是財(cái)聯(lián)社記者翻閱該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，大摩并未明確GB200 將使用玻璃基板，僅表示預(yù)計(jì)在未來(lái)兩年左右玻璃基板將被用于先進(jìn)封裝。

圖四：DNP 玻璃芯載板示意圖

資料來(lái)源：DNP 公司官網(wǎng)，東方財(cái)富證券研究所