巨头角逐，玻璃基板将成芯片游戏规则颠覆者？

人工智能（AI）对高性能、可持续计算和网络硅片的需求无疑增加了研发投入，加快了半导体技术的创新步伐。随着摩尔定律在芯片层面的放缓，人们希望在ASIC（专用集成芯片）封装内封装尽可能多的Chiplet（小芯片），以期在封装层面获得摩尔定律的优势。

容纳多个Chiplet的ASIC封装通常由有机基板组成。它由树脂（主要是玻璃纤维增强环氧树脂层压板）或塑料制成。根据封装技术的不同，芯片要么直接安装在基板上，要么在芯片之间再加一层硅中介层，以实现Chiplet间的高速连接。有时会在基板内部嵌入互联桥而非中介层，以提供高速连接。

有机基板的问题在于容易翘曲，尤其是在芯片密度较高的大型封装中。这就限制了封装内的芯片数量。而这正是玻璃芯基板(GCS，简称“玻璃基板”)可以改变游戏规则的地方！它有望在下一代先进芯片封装中发挥关键作用。

为什么是玻璃基板？

玻璃作为一种材料，在多个半导体行业中被广泛研究和集成，这种趋势代表了先进封装材料选择的重大发展。与有机和陶瓷材料相比，玻璃具有多项优势。

与多年来一直作为主流技术的有机基板不同，玻璃具有卓越的尺寸稳定性、导热性和电气性能。玻璃基板结合上方、下方的布线层以及其它辅助材料，共同制造而成的基板，可完美解决当前有机基板的诸多短板。此外，玻璃基板还为工程师提供了更高设计灵活性，允许将电感、电容嵌入到玻璃当中，以实现更优良的供电解决方案，降低功耗。

玻璃基板的优势如下：

* 玻璃基底可以做得非常平整，从而实现更精细的图案化，可减少50%图案失真和更高的（10倍）布线密度。在光刻过程中，整个基底会受到均匀的曝光，从而减少缺陷。

* 玻璃的热膨胀系数与上面的硅芯片相似，可减少热应力。

* 不会翘曲，可在单个封装中处理更高密度的芯片。最初的原型产品可处理的芯片密度比有机基板高50%。

* 可以无缝集成光学互连，从而产生更高效的共封装光学器件。

* 这些基板通常是矩形晶圆，可增加每个晶圆的芯片数量，提高产量并降低成本。

玻璃基板有可能取代封装内的有机基板、硅中介层和其他高速嵌入式互连器件。

然而，玻璃基板也存在一些挑战：

* 玻璃脆且易碎，在制造过程中容易破裂。这种易碎性需要小心处理和专用设备，以防止在制造过程中损坏。这对于面临高物理冲击风险的产品（如手机、笔记本电脑和汽车设备）来说是一个弱点。

* 确保玻璃基板与半导体堆叠中使用的其他材料（如金属和电介质）之间的正确粘合具有挑战性，难以均匀填充线路的通孔。材料特性的差异会导致界面处产生应力，从而可能造成分层或其他可靠性问题。虽然玻璃的热膨胀系数与硅相似，但它与用于PCB板/凸块的材料却有很大差异。这种不匹配会在温度循环过程中产生热应力，影响可靠性和性能。

* 过于透明，这将影响测量的准确性，而且产量太低，产能不足。

* 玻璃基板缺乏既定的行业标准，导致不同供应商的性能存在差异。由于是新技术，没有足够的长期可靠性数据。需要进行更多的加速寿命测试，以获得将这些封装用于高可靠性应用的信心。

尽管存在这些缺点，但玻璃基板在高性能计算（HPC）、AI和直流网络硅方面大有可为，其重点是将尽可能多的吞吐量封装在ASIC封装内，以提高系统的整体规模、性能和效率。

KB证券研究分析师Lee Chang-min预测：“随着AI数据处理量呈指数级增长，到2030年有机（塑料）材料基板将变得缺乏。玻璃基板最初应用于AI加速器和服务器CPU等高质量产品，预计将逐步扩展到更广泛的产品领域。”

研究机构The Insight Partners预测，尽管玻璃基板技术尚处于起步阶段，但预计全球市场规模将从今年的2300万美元增长至2034年的42亿美元。

英特尔、台积电、三星和SKC等主要代工厂都在大力投资玻璃基板技术。

芯片巨头纷纷投资，量产时间仍遥远

英特尔于2023年9月宣布推出业界首个用于先进封装应用的玻璃基板技术，是最早行动的公司之一。目前英特尔已展示玻璃基板样品及采用玻璃基板的芯片成品。该公司表示，这将使封装中的晶体管继续缩小，并推进摩尔定律以提供以数据为中心的应用。英特尔计划在2026年大规模量产玻璃基板，并已在美国亚利桑那州设立专门研究机构。

与此同时，英特尔也在呼吁材料供应商加入这一努力，其寻求通过推出性能更高的芯片来最大化规模经济和盈利能力。

英特尔进一步表示，该公司有望在本世纪下半叶向市场提供完整的玻璃基板解决方案，使该行业能够在2030年以后继续推进摩尔定律，这是使用有机材料的硅封装无法实现的任务。

中国台湾IC基板供应链消息人士表示，现在判断英特尔是否真的能兑现承诺还为时过早。消息人士称，英特尔强调玻璃基板的前景，是希望芯片供应商考虑更换代工合作伙伴。

消息人士称，在所有中国台湾IC基板供应商中，欣兴电子是英特尔最亲密的合作伙伴。

近期有传言称欣兴电子已经开始玻璃基板的制造过程。然而，欣兴电子董事长曾子章驳斥了这一传言，并表示：“它仍处于研发阶段。”

欣兴电子指出，玻璃基板技术仍有技术障碍需要克服，可能要到2025年底才能走出研发阶段。欣兴电子表示，其玻璃基板技术将需要经过多轮客户验证，装配线的设备安装可能要到2026年底，估计大规模量产要等到2027-2028年，新技术的生产成本和良率是否可接受还有待观察。

最近在基板领域迎头赶上的臻鼎科技也表示，除了专注于基板外，它将在未来五年继续研发玻璃基板，但臻鼎科技董事长沈庆芳表示，短期内还为时过早，无法看到大规模生产何时准备就绪。他表示，这项技术尚未成熟，在设备和生产压力方面仍有多个挑战需要克服。

消息人士还指出，玻璃通孔（TGV）技术尚未成熟，无法用于处理玻璃基板，而且由于所需的精度水平，仍然是一项艰巨的挑战。玻璃基板仍处于早期开发阶段。

因此，在高端硅片主流过渡到玻璃基板之前，还需要3~4年的时间。

日韩半导体供应链入场

日本和韩国的半导体供应链参与者正在加紧努力开发玻璃基板解决方案或收购拥有相关技术的公司。

英特尔2023年9月宣布推出业界首个用于先进封装应用的玻璃基板技术后，引起了日本制造商的极大兴趣并引发了一系列反应，日企在玻璃基板开发中开始占据领先地位。

2023年12月，日本政府支持的日本投资公司（JIC）、DNP和三井化学宣布通过定于2024年8月进行的收购要约，共同投资收购富士通IC基板子公司新光电气工业的所有股份。DNP高级执行公司官员Mitsuru Tsuchiya表示，玻璃基板最早可在2028年用于芯片的量产，比最初预期的要早。

自2023年初以来一直在开发玻璃基板技术的DNP，于当年3月宣布开发玻璃通孔（TGV）的玻璃基板。该公司以850亿日元（5.4亿美元）收购新光电气15%的股份，预计将在两家公司之间产生协同效应。

其他日本公司也在积极开发玻璃基板产品。日本电气硝子（NEG）于2024年6月推出新型半导体基板材料“GC Core”。这种玻璃陶瓷基板特别适合封装Chiplet（小芯片），具有便于通孔加工、无需使用高成本蚀刻工艺即可实现基板减薄等优势。

AGC（旭硝子玻璃）在其2024-2026年中期经营计划中强调，将集中资源开发玻璃基板。英特尔的主要基板供应商Ibiden（揖斐电）已将玻璃基板列为其具有未来增长潜力的研发项目之一。另一家日本基板制造商FICT（原富士通Interconnect Technology）宣布开发一种名为“Glass All Layer Z”连接结构（G-ALCS）的新型多芯层玻璃基板。

除了日本，韩国企业也开始积极进入玻璃基板市场。

在韩国，SK集团旗下的化学子公司SKC正在成为日本制造商在玻璃基板领域的重要竞争对手。该公司于2021年宣布开发玻璃基板，并通过其子公司Absolics在美国建立量产线，从而领先业界。Absolics的初始投资为2.4亿美元，已获得美国7500万美元先进芯片封装补贴，计划最早在2024下半年为其客户生产玻璃基板，并计划到2030年再投资3.6亿美元，旨在获得英特尔、英伟达和AMD等主要客户。

其他韩国企业也在进入市场。三星电机（SEMCO）在CES 2024上宣布进入玻璃基板市场，并与设备供应商LPKF和Chemtronics合作，共同开发和建立玻璃基板制造中关键工序——玻璃通孔的供应链。有预测称，三星集团子公司将在玻璃基板生产方面进行合作，分别由三星电机、三星电子和三星显示负责研究半导体和基板的开发、制造、组合以及玻璃工艺。

韩国企业LG Innotek正在大力实现业务多元化，包括扩大半导体基板业务，也将玻璃基板视为未来的主要收入来源。

AI芯片催生玻璃基板需求

玻璃基板被公认为是下一代先进半导体封装技术的关键材料，是支持AI芯片爆炸式增长所必需的。

台积电CoWoS先进封装产能的扩张几乎无法跟上AI芯片快速增长的需求，促使半导体公司寻求替代方案。业内人士称，使用玻璃基板的先进封装是潜在的解决方案。

除了英特尔和三星电子之外，消息人士称，英伟达和AMD也在开发利用玻璃基板的芯片技术。

目前半导体公司正在开发两种用于先进封装的玻璃基板。其中一种旨在取代硅中介层，使用玻璃作为芯片集成的平台。消息人士称，台积电和群创光电正在朝这个方向发展。

另一种玻璃基板将用于ABF基板的核心，取代覆铜板（CCL）。消息人士称，英特尔和奥地利的AT&S正在联合开发这种类型。

据悉，英特尔最初采用的是另一种开发先进封装的方法。该公司试图利用其共封装光学（CPO）技术，使用玻璃基板来增强信号传输。

消息人士称，玻璃将主要用于110mm x 110mm及更大的基板，以满足服务器用CPU和GPU、开关IC和RF模块等终端设备应用的需求。

玻璃基板成FOPLP关键

玻璃基板已成为扇出型面板级封装（FOPLP）的关键战略要素，这是台积电和各后端工厂正在开发的一项技术。据业内人士称，正因为如此，台积电最初选择了515mm x 510mm的玻璃面板尺寸，最近据说已经确定领先的后端工厂日月光（ASE）采用的更大尺寸。

FOPLP是扇出型晶圆级封装（FOWLP）技术的延伸。由于FOPLP使用更大的面板，它可以处理的芯片数量是300mm晶圆的几倍。

消息人士称，FOPLP开发商采用的面板尺寸多种多样，主要包括300mm x 300mm、515mm x 510mm、600mm x 600mm和620mm x 750mm。

使用515mm x 510mm面板的公司包括力成科技和矽品。日月光则采用300mm x 300mm和600mm x 600mm两种尺寸的玻璃面板。

消息人士称，台积电目前已采用600mm x 600mm玻璃面板进行FOPLP开发。

显示面板制造商群创光电已进军半导体领域，正在开发采用所有同行制造商中最大面板尺寸——620mm x 750mm的FOPLP。群创光电已将其位于台南市的3.5代液晶生产线改造成FOPLP半导体工厂。

消息人士称，群创光电已经获得恩智浦和意法半导体的订单，用于处理汽车和电源管理IC，计划于2024年下半年开始量产。消息人士补充说，为了满足强劲的需求，群创计划增加额外产能，预计将于2025年开始量产。

此前消息称台积电和美光都有兴趣与群创合作，而台积电抢先了一步。

台积电8月15日表示斥资171.4亿元新台币（约合人民币37.88亿元）向群创购买南科四厂（5.5代LCD面板厂）及附属设施，取得目的为供运营与生产使用。业界看好，由于台积电包括CoWoS等在内的先进封装供不应求，正积极扩充产能应对，该厂投产时间将早于嘉义厂。

虽然玻璃基板被认为是FOPLP开发的关键材料，但消息人士指出，英特尔和台积电掌握着FOPLP的关键技术。

英特尔估计FOPLP量产可能要到2026-2030年才能开始。台积电董事长魏哲家也指出，FOPLP技术尚未成熟，至少还需要三年时间才能实现量产。

消息人士称，群创光电可能是第一个开始量产FOPLP的公司，主要是因为它将用于封装采用成熟工艺制造的PMIC。

随着玻璃基板在先进芯片封装中的重要性增加，制造商之间的竞争日益激烈，推动了这项前景光明的技术的创新和投资。

玻璃基板材料涨价

FOPLP面板可以是PCB或玻璃基板，类似于制造LCD屏幕所用的基板。

玻璃制造行业人士指出，FOPLP和LCD面板的玻璃基板本质上是一样的。虽然LCD玻璃的纯度已经很高，但半导体应用的要求更高。玻璃供应商将进一步改进以满足半导体要求。

LCD玻璃基板市场目前由美国和日本公司主导，康宁是最大的供应商。日本供应商包括AGC（旭硝子玻璃）和日本电气硝子（NEG）。消息人士称，台积电可能会与康宁合作供应FOPLP玻璃。

业内人士表示，受日元贬值、供需平衡紧张以及部分面板厂获利等因素影响，预计2024年第三季度LCD玻璃基板价格将上涨。据报道，LCD玻璃基板材料制造商要求涨价10%~15%。包括康宁和AGC在内的LCD玻璃基板供应商已经与面板客户讨论涨价问题。

受上半年电视产品厂商提前拉货影响，面板采购动能有所放缓，加上终端销售不佳、库存上升等因素，预计将影响第三季传统旺季，而第三季面板用玻璃基板价格上涨，也将进一步令面板厂承压。

2023年5月底，康宁宣布从第三季度开始上调所有LCD玻璃基板的价格。此次涨幅将适用于所有地区和所有玻璃部件，无论代数和尺寸，最高可达20%，为公司历史上最大的涨幅。康宁表示，此次涨价反映了通货膨胀对能源、原材料和其他非日元运营费用上涨的持续影响。与以往的涨价公告相比，康宁今年的做法相对低调，只是悄悄暗示涨价的可能性。