本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semi engineering

玻璃替换硅和有机基板需要制造业的巨大变革，由此带来的挑战将需要数年时间才能解决。

芯片行业正竞相开发先进的封装玻璃，为几十年来芯片材料领域最大的变革之一铺平道路——这一变革将引入一系列全新的挑战，需要数年时间才能完全解决。

十多年来，玻璃一直被讨论作为硅和有机基板的替代材料，主要用于多芯片封装。但随着摩尔定律逐渐失效，从平面芯片转向先进封装已成为尖端设计的必然趋势。现在的挑战是如何更高效地构建这些设备，而玻璃已成为封装和光刻技术前沿的关键推动者。英特尔去年宣布，将在本十年后期推出玻璃基板。美国政府根据美国《芯片法案》向韩国SKC的子公司Absolics拨款7500万美元，在佐治亚州建设一座12万平方米的工厂，用于制造玻璃基板。

“玻璃的优势显而易见，”英特尔基板TD模块工程部的院士兼主任Rahul Manepalli说。“但你需要解决的问题包括界面应力、了解玻璃的断裂动力学，以及了解如何将应力从一个层传递到另一个层。”

随着基板变薄以满足现代半导体设备的要求，玻璃的脆性尤其成问题。处理和加工这些薄玻璃基板需要非常小心和精确，因为破损的风险会显著增加。

玻璃也使检测和测量变得更加困难。“我们正在从基于晶圆的典型小视场光刻转向其他技术，”Onto Innovation光刻产品营销总监Keith Best说。“当使用玻璃时，仅仅扩大规模是不够的。它需要一个低数值孔径（NA）透镜系统，能够在不损失分辨率的情况下，在更大的区域内实现必要的焦深。”

此外，大型晶圆厂和OSAT（外包半导体组装和测试）已经在其他材料上进行了大量投资，如铜覆层层压板。这些材料在PCB中作为基材已经得到了现场验证，但当封装行业发展到低于2/2nm线宽/间距时，它们将逐渐失去优势。转向玻璃需要全新的设备投资和新工艺，或者需要将其与现有工艺结合起来。

“目前没有一个公式可以让我们为玻璃基板创建一条专用生产线，”ASE集团高级副总裁Yin Chang说。“目前没有业务支持这一点。它要么适应标准工艺，要么采用时间会更长。”

尽管存在这些障碍，但业界普遍认识到玻璃面板的变革潜力以及它最终被广泛采用的可能性。玻璃提供了出色的尺寸稳定性，以及支持更大面积和更精细图案的能力。它还与硅具有相同的热膨胀系数，并且极其平坦和稳定。

“玻璃绝对是一个趋势，”佳能营销经理Doug Shelton说。“玻璃非常宽容，具有一些有利的电气特性。只要它们不试图做得特别薄，玻璃就能让光刻方面变得更简单。”

玻璃最吸引人的特性之一是它的低介电常数，这可以最小化信号传播延迟和相邻互连之间的串扰，这对于高速电子设备至关重要。它还可以减少互连之间的电容，从而加快信号传输并提高整体性能。在数据中心、电信和高性能计算等应用中，速度至关重要，使用玻璃基板可以显著提高系统效率和数据吞吐量。

低介电常数还使得阻抗控制更好，确保整个电路的信号完整性。这在射频应用中特别吸引人，因为阻抗匹配对于最大化功率传输和最小化信号损失至关重要。通过在基板表面提供一致的电气特性，玻璃基板促进了高频电路的设计和制造，提高了可靠性和性能。

玻璃基板的另一个关键优势是其出色的热稳定性，这在维持设备在波动热条件下的性能方面起着至关重要的作用。与在热应力下可能变形或脱层的铜覆层层压板不同，玻璃基板在宽温度范围内表现出最小的尺寸变化。在热管理至关重要的应用中，如汽车电子、航空航天系统和工业控制，玻璃在热循环下保持尺寸完整性的能力有助于防止由温度引起的机械应变通常导致的电气短路、开路或其他可靠性问题。

“我们期望玻璃首先在以数据为中心的世界中被采用，特别是在基于AI/ML的封装中，”英特尔的Manepalli说。“这种应用会立即带来性能上的好处。”

玻璃基板的热稳定性还简化了先进封装解决方案的设计和实施，允许更紧密的组件集成和更高的封装密度。通过消除与基板翘曲或变形相关的担忧，玻璃基板使得芯片组件的对齐更加精确，互连间距更小，并提高了整体系统性能。

“看到这些玻璃材料如何进入这些复杂设备的生态系统，无论是在基板层面还是在更高层次的集成中，都将非常有趣，”Promex Industries的首席运营官David Fromm说。

玻璃基板的另一个巨大优势是其出色的平整度，这对于面板级光刻工艺至关重要，其中精确的校准和特征一致性对于实现高分辨率图案化至关重要。玻璃基板在光刻过程中确保了一致的焦平面校准，从而能够以更高的精度和可重复性创建精细间距的互连和复杂的电路图案。

此外，玻璃基板的平整度通过减少如图案失真或未对齐等缺陷的发生，提高了半导体器件的产率和可靠性。这反过来又导致更高的制造产率和改进的整体设备性能，特别是在需要严格公差和高集成度的应用中。

转向玻璃也支持工艺流程。在各种处理条件下，玻璃具有可预测的行为，从而减少了工艺变量。工程师可以围绕一种可靠且一致响应的材料来微调他们的工艺，从而提高生产线的效率和可预测性——一旦解决了处理问题。

“玻璃面板处理需要细致的精度，”Best补充道。“但一旦你掌握了你的工艺，这种材料就会与你合作，而不是与你作对。”

玻璃基板在光刻中的一个重大挑战是其固有的脆弱性，随着行业向更薄的基板发展以满足更高的设备集成和性能需求，这种脆弱性变得尤为突出。厚度经常达到100微米或更薄的玻璃面板，在处理和制造过程中存在很大的风险。玻璃在应力下容易开裂或破碎，这突显了需要专门的设备和工艺来安全地管理这种材料。

“玻璃基板有它自身的一系列挑战，”Nordson Test & Inspection公司的产品线总监Brad Perkins表示，“当你看到那些大玻璃面板达到500多毫米见方时，你会遇到一些真正的挑战，比如它们会弯曲和变形多少，然后你如何固定它们？”

要解决这种脆弱性，需要处理系统匹配光刻技术本身的复杂性。先进的封装公司正在积极探索坚固的搬运、真空和机械支持系统，以在不破裂的情况下运输和处理这些脆弱的玻璃面板。此外，还在追求光刻设备中用于加载和卸载基板的软处理技术的创新，以减轻与处理易碎玻璃基板相关的风险。

“薄玻璃基板极其脆弱，需要仔细处理，”Onto的Best说，“它要求精细、精确，最重要的是在处理技术上的创新。你必须非常小心地移动它。例如，当你把它放入电镀槽时，电镀槽的搅动和湍流可能会使其破碎。”

玻璃也可以与传统的基板结合使用，使得现有的方法能够利用玻璃的热稳定性和电气优势，同时利用有机层压板或硅中介基板等材料的机械坚固性和成熟的制造工艺。结果是一个具有卓越整体性能指标的基板，能够满足当代和未来芯片设计的多样化需求。

例如，混合基板可能采用玻璃核心，用于低损耗、高频信号传输，与铜包层层压板（CCL）结合使用，以增强结构刚性和成本效益。这种协同组合可以缓和一些与玻璃相关的挑战，如脆性，同时利用其高性能特性。

“玻璃与其他基板的结合不仅仅是将两者的优点结合在一起，”Onto的Best表示，“它是为了获得我们以前从未见过的性能特征。”

玻璃面板采用的一个重大障碍是缺乏玻璃基板尺寸、厚度和特性的统一标准。与遵循精确全球规格的硅晶圆不同，玻璃基板目前缺乏普遍接受的尺寸和特性。这种标准化不足给努力生产通用兼容工具的设备制造商和寻求在不进行重大工艺调整的情况下互换基板的半导体工厂带来了复杂性。

与标准化密切相关的是兼容性问题，这不仅存在于不同批次的玻璃基板之间，还存在于基板与它们所支持的半导体器件之间。必须仔细匹配玻璃独特的电气和热特性与半导体器件的特性。

“你不会在成熟的产品上使用玻璃，”ASE的Chang补充道。“它将被用于最先进的应用，提供更好的电源解决方案。但处理起来会更难。这是它的关键问题之一。”

随着半导体行业向先进的封装方法发展，如芯片模块和3D-IC，后端工艺正在发生显著的变化。这种转变涉及采用和适应传统上与前端半导体制造相关的方法论。

光刻现在在创建低于2µm的线宽中发挥着关键作用，这对于采用芯片模块和2.5D/3D-IC封装是必要的。但这些更精细的尺寸也需要能够承受更严格的加工条件同时保持结构和功能完整性的材料。

“我们目前面临的最大挑战是尽可能地从光刻工具中获得最大的收益，”Synopsys的高级产品经理Travis Brist表示。“虽然一直存在这样的推动，但它变得越来越关键。”

由于封装中基板格式的限制较少，以及使用更大的镜头和较低的数值孔径的能力，封装供应商正在转向扇出面板级封装（FOPLP），以在单个面板上处理更多的封装，从而降低成本。据估计，与300mm晶圆扇出相比，面板的成本可以降低30%到40%。

图1：面板级封装通过基板尺寸实现裸片数量的显著增加。来源：Onto Innovation

鉴于面板相对于硅晶圆更大的尺寸和不同的物理特性，实现先进封装所需的精细间距互连需要光刻技术，这种技术能够在面板基板上产生更小的特征尺寸，同时不牺牲对准精度。这在较大的面板上尤其具有挑战性，因为翘曲成为一个问题，必须在光刻过程中加以考虑。

由于其耐用性、坚固的机械性能和成本效益，铜包层层压板（CCL）一直是FOPLP的首选基板材料。其成分使其成为半导体封装工艺中严苛环境的耐用选择，而玻璃纤维和铜的相对可承受性也促进了其广泛采用。

但是，CCL的结构，即赋予其强度的结构，也使其在FOPLP中常见的热应力和机械应力下容易发生翘曲。基板的每一层都可能产生略有不同的覆盖偏差，这是由面板变形引起的复杂情况。这种偏差必须严格控制，因为它们可能导致在保持一致的线图案和特征尺寸方面出现挑战。即使是微小的差异也可能导致显著的产量损失并影响封装的整体效率。

此外，CCL基板表面电气特性的微小变化会影响信号完整性和整体器件性能，尤其是在高频应用中。

“铜包层层压板非常坚固，但说到翘曲和变形，它非常不稳定，”Onto的Best表示。“但目前大多数人还在使用CCL。他们已经达到9/12 [纳米线/间距]的水平，并考虑可能达到5/5。有些人甚至想把它推到2/2，但这可能是CCL的极限了。然后就开始了向玻璃过渡的竞赛。”

兼容性不仅涉及玻璃的物理特性，还涉及半导体堆叠中使用的其他材料（如介电材料和金属）的粘附性，这些材料在玻璃上的表现可能与传统基板不同。

在缺乏行业标准的情况下，性能差异也成为一个常见的挑战。由于每家制造商都坚持其对玻璃基板的专有规格，因此出现了一种情况，即同一家公司的产品可能在相同应用中与另一家公司的产品表现不同。

随着先进封装向更精细的间距和更复杂的互连技术迈进，玻璃与堆叠中其他材料之间的热膨胀系数和电气特性差异变得越来越重要。没有标准化，将玻璃与诸如通过玻璃通孔（TSV）和微凸点等技术集成将充满复杂性，可能影响产量和可靠性。

要解决这些挑战，需要整个行业合作，为玻璃基板制定和采用标准。这种合作涉及由玻璃制造商、半导体公司、封装专家和设备供应商组成的工作组，他们共同制定可靠的标准，以提高制造过程的可预测性和效率。

随着玻璃基板在未来先进封装中寻求发挥核心作用，标准化和兼容性将至关重要。只有通过行业合作和达成共同协议，才能实现玻璃基板的全部优势。

借助玻璃面板，制造商可以突破互联密度的界限，为更复杂、更紧密的集成电路铺平道路。设备不仅变得更小、更快，而且由于基板电气性能的均匀性，设备性能也变得更加可靠，批次之间保持一致。

“玻璃还有很多潜力可以挖掘，我们甚至还没有触及表面，”Manepalli补充道。“我们甚至还没有利用玻璃的高频优势。想象一下，一旦我们掌握了工艺，我们就可以利用玻璃及其特性创造出什么样的东西。”

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