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探寻封装艺术之美——TGV玻璃面板封装技术的前沿较量

在政策红利的推动下,玻璃基板在高性能计算(HPC)、数据中心以及人工智能等领域正展现其提供高性能、低功耗和紧凑外形的优势。国内半导体厂商纷纷加大对先进封装项目的扩建力度,这一举措在产业界引起了广泛关注。

TGV(Through Glass Via,玻璃通孔)、基板玻璃封装以及板级封装作为降低成本、提高效率的新技术手段备受瞩目。在这些技术的推动下,产业链不断优化,产品性能得到提升,为市场带来了更加多元化和高效的解决方案。

随着技术的不断进步和创新,玻璃基板在封装领域的应用前景十分广阔。通过政策支持和行业合作,国内半导体企业有望在全球竞争中占据更有利的地位,并在HPC、数据中心和人工智能等领域发挥更为重要的作用。随着微处理器性能改进达到极限,半导体行业正积极探索异构封装并寻求新材料。采用内置无源元件的玻璃基板,可以在相同尺寸内集成更多芯片,实现成本降低、产量倍增、功耗减半的目标。

TGV技术支持将玻璃基板和金属集成到单个晶圆/面板中,中介层则促进更高效的封装互连和缩短制造周期。分布层(RDL)技术可在玻璃基板上形成电路,通过独特的薄膜方法与TGV连接。相比传统硅中介层,这种技术提供了低损耗的芯片与封装互连,并且成本更低。玻璃基板的应用将为半导体行业带来更多创新,通过TGV等技术的支持,实现了对成本、产量和功耗的三重优化,为行业的发展开辟了新的道路。

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拥有2、4层金属层的横截面


数据中心、自动驾驶汽车、面板显示以及航天工业等领域都将为玻璃通孔(TGV)技术提供广阔的应用空间。玻璃芯技术的商品化速度超出了预期,去年我们可能预计了十年以后,但现在可能提前至三五年。据调研结果显示,未来半导体产业的发展预测如下:

  • 2023年:概念正式引爆。

  • 2024年:全球首次试量产封装玻璃基板。

  • 2025年:更多企业加入,产业链初步建立。

  • 2026~2028年:头部企业正式大规模量产玻璃基板封装。

  • 2028~2030年:量产基于玻璃基板的高性能处理器和AI芯片,应用领域包括汽车、医疗、5.5/6G以及航天工业等。

TGV技术的重要应用包括玻璃芯载板和玻璃转接板。在玻璃芯载板方面,其优势体现在表面光滑、密度高、厚度小、高频信号衰减低、功耗降低等方面。双面集成可提升产能两倍,同时缩短工序一半。玻璃芯载板可与ABF结合拼接堆叠,并有望取代或与ABG/BT载板并驾齐驱。


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目前,玻璃芯载板已经问世。英特尔研发的可共同封装光学元件技术(CPO)利用玻璃基板设计,通过光学传输方式增强信号传输。康宁公司正在积极探索400G及以上的集成光学解决方案,集成电光玻璃基板将被应用于CPO工艺中。

玻璃转接板作为中介层具有以下特性:高密度互连、优异的电性能、低热膨胀系数(CTE)、高耐化学性、能够结合电学和光学功能模块、环保以及成本降低(相较于硅转接板可降低至少1/6)。由于对高性能芯片集成的需求不断增长,国内公司已成功研发了高密度玻璃转接板技术。

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云天半导体成功量产了高密度玻璃转接板技术。样品厚度为80μm,TGV开口直径25μm,实现了8:1高深宽比的TGV盲孔无孔洞填充。此外,实现了3层RDL堆叠,最小线宽/线间距可达1.5/1.5μm。

目前,玻璃基板技术已广泛应用于先进封装、光通信、射频天线、微波、微机电系统、微流体器件以及三维集成等领域。
在玻璃面板级封装方面,佛智芯和奕成科技是国内首批量产的厂家。在LED方面,玻璃基材料与TGV技术相结合,通格微公司与雷曼光电联合发布了全球首款玻璃基TGV MicroLED显示屏,国内光电显示企业正加速玻璃基产品的商用进程,目前已开始小批量出货。在5G射频领域,厦门云天已实现高性能滤波器晶圆级三维封装的量产。在MEMS领域,TGV技术多年前就已被引入设计制造环节,国际大厂纷纷推出玻璃基产品。在封装天线方面,TGV+FOWLP技术有望为天线封装开辟新的路径,以满足汽车雷达和无线通讯的需求。此外,TGV技术也广泛应用于集成无源器件中。
潜在的应用领域包括人工智能、高性能存储与计算(基于光电子的计算和射频、硅光集成、高带宽存储器),以及6G通信领域。这些领域也是大厂未来争夺的核心市场。随着技术的进步和应用领域的不断拓展,玻璃基板技术将在更多领域展现其巨大潜力。

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基于玻璃的 RF SiP


玻璃芯技术面临着多方面的挑战。在技术层面上,这些挑战包括激光钻孔和填孔的优化,需要考虑对脆性的处理、金属线的粘附性不足,以及实现均匀的过孔填充和一致的电气性能。同时,选择适合各项指标的玻璃材料、玻璃边缘的抗裂性、高纵横比、金属化、提高良品率、大块玻璃基板的切割,以及产品整个生命周期内的散热和承受机械力,都是需要克服的技术难题。
与传统的BT/ABF等基板相比,玻璃基板的长期可靠性信息相对不足。这包括建立玻璃基板可靠性数据库,涵盖机械强度、耐热循环性、吸湿性、介电击穿和应力引起的分层等方面。建立这些数据库可能需要数十年的数据积累,以制定标准、性能指标和预期寿命。这些因素最终会影响制造商的决策和投入。
解决这些挑战需要跨学科的合作和长期的研究投入,以改善玻璃基板的制造工艺和性能,进而推动玻璃芯技术在各个领域的应用和发展。

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GlassCore为基础的封装基板


在玻璃上堆叠和互联的层数限制了设计的灵活性,增加了设计的复杂度,给设计带来了挑战。此外,热膨胀、应力和应变也是玻璃基板面临的挑战,需要进行有效的控制。玻璃孔的形貌控制、结合力、检测标准和微裂纹等问题也需要得到解决。材料和设备端存在许多不确定性,供应链安全以及成本过高等问题也是制约因素。
随着封装测试技术的不断完善,英特尔正在规划首批采用玻璃基板的内部和代工产品。首批获得玻璃基板处理的产品将是其规模最大、利润最高的产品,例如高端HPC和AI芯片。未来,英特尔计划通过其代工服务向外部客户开放。英特尔CEO帕特·基辛格表示:“我们的目标是在2030年成为全球第二大代工厂。”
这一计划表明了对玻璃基板技术的信心以及对其在半导体产业中的潜力的认可。然而,随之而来的挑战和不确定性也需要持续的研究和开发,以确保玻璃基板技术能够在各个方面得到充分的解决和应用。
目前,尽管TGV应用市场尚未大规模启用,但许多半导体厂商已开始积极参与构建相关生态系统。玻璃是由高品质硼硅酸盐玻璃、熔融石英和蓝宝石制成的。基于TGV技术的材料形态主要包括玻璃晶圆和玻璃面板,具有较低的成本和良好的射频性能,有助于提高半导体生产过程中的品质管理。玻璃晶圆级封装技术保证了更小尺寸,保护了可动部件,而玻璃面板级封装则提高了效率。玻璃具有独特的热性能、机械性能和几何性能的超低平面度等特性,有助于半导体封装领域的创新,帮助半导体实现高性能、高灵活性的先进封装。
肖特和康宁等公司已经为先进封装的特定应用提供了各种产品。这些产品包括半导体封装用玻璃面板,如D263® T eco、BOROFLOAT® 33或AF 32®;以及半导体生产中作为消耗性载体晶圆的玻璃,如由AF 35 G或BOROFLOAT®制成的玻璃。康宁生产高品质熔融石英(HPFS®)、超低膨胀玻璃(ULE®)和氟化物晶体等高品质材料,在先进光学封装与晶圆业务上不断拓展。肖特、康宁等公司已具有规模化量产的玻璃晶圆和面板,为全球产能贡献了上百万片。这些举措为TGV技术的应用奠定了基础,并为未来的发展提供了有力支持。

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三星电机于2024年1月宣布开发半导体封装玻璃基板,并计划于2025年生产样品,随后在2026年至2027年正式开始量产,并逐步调整其业务结构。群创光电也投入20亿元新台币,于2024年下半年推出FOPLP玻璃基板,月产能可达1.5万片,并计划在2025年开始二期扩产。此外,应用材料旗下的SKC子公司Absolics总投资6亿美元建设一家月产能达4000块的玻璃基板工厂,计划于2024年下半年开始量产,并在2027-2028年建造第二座工厂,产能达24000片/月。另外,DNP提出了在2027年大规模量产TGV玻璃芯基板的目标,而LG Innotek也表示了开发玻璃基板用于先进封装的意向。

当前,各方都在竞相构建大型、高端AI训练系统,这一竞赛已经变得异常激烈。也许在未来三年内,这些先行战略性布局的玻璃基板将被应用于英特尔、英伟达、三星或AMD的AI芯片(GPU、CPU、逻辑存储)、硅光集成封装产品、华为的纯国产芯片、智能汽车厂商的PMIC/ADAS/RF/RADAR/Logic、马斯克的星链项目,甚至中国更高速的高铁系统等领域。这些举措将引领人类进入更加智能、快速的世界。

根据最近的调研结果显示,国内晶圆玻璃(包括面板和晶圆)的产能增长趋势显著。据不完全统计,预计在2024年至2026年期间,国内将拥有超过160万片/月的设计产能。一些公司,如蓝特光学、通格微、五方光电等,正在为3D半导体封装而设计的TGV产品进入送样到试量产的阶段。这表明了国内在半导体封装领域的发展和创新,以及对玻璃基板技术的积极探索和应用。随着这些技术的成熟和应用的推进,国内半导体产业有望在未来取得更大的发展成果,并在全球市场上发挥更加重要的作用。

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级高密封装样品


最近的调研显示,玻璃基板(包括面板和晶圆)封装项目在2023年至2025年的投资额预计将超过100亿。以下是综合国内已有规划产能、实际产出以及未来可能布局的厂家数据的具体情况:

玻璃晶圆级封装方面:

    • 2023年规划产能为16.6万片,实际产能为2万片/月;

    • 2024年规划产能为103万片,预计实际产能在2.6万片/月左右;

    • 2025年规划产能可能超过150万片,预计实际产能约为10万片/月左右。

玻璃面板级封装方面:

    • 2023年实际产能超过70 Panel/月;

    • 2024年产能预计超过1500 Panel/月;

    • 2025年产能预计超过12000 Panel/月。

以上数据来源于国内正式量产(和明确量产计划)的先进封装厂,包括厦门云天二期全系列晶圆级封装生产线、佛智芯大板级二期扩建线、奕成科技板级高密系统封测工厂(一厂)一二三期的产能、成都迈科/三叠纪TGV板级封装试验线,以及其他几家正在秘密部署的光电和封测厂的中试线和未来项目。这些数据表明了国内对玻璃基板封装技术的重视和投入,预示着该领域在未来将迎来更大的发展空间和机遇。

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