开启下一代封装革命

今天早上，英特尔展示了他们开发玻璃芯（glass core）基板和芯片相关封装工艺的初步工作。由于在玻璃芯研发方面取得的进展，英特尔现在计划在本世纪下半叶将玻璃芯基板引入其产品中，从而使他们能够以更复杂、最终性能更高的配置封装芯片。

按照他们在新闻稿中所说，之所以玻璃基板拥有机会，这与产业发展的需求有重要关系。

随着对更强大计算的需求增加，以及半导体行业进入在封装中使用多个“Chiplet”的异构时代，信号传输速度、功率传输、设计规则和封装基板稳定性的改进将至关重要。这就使得当前正在使用的有机基板面临巨大的挑战，而这也正是玻璃基板所具备的。

英特尔表示，玻璃基板具有卓越的机械、物理和光学特性，允许在封装中连接更多晶体管，从而提供更好的扩展性并能够组装更大的小芯片（Chiplet）复合体（称为“系统级封装”）。芯片架构师将能够在一个封装上以更小的占地面积封装更多的块（也称为小芯片），同时以更大的灵活性和更低的总体成本和功耗实现性能和密度增益。

换而言之，玻璃基板首先能为芯片提供结构稳定性（硅芯片非常脆弱），并且它们也是将来自硅芯片的信号传送到其他封装芯片（即小芯片）或芯片背面有大量相对较大的引脚/焊盘。而且，随着多年来芯片尺寸的增加，以及高端芯片所需的引脚/信号数量的增加，对用作基板的更新、更好的材料的需求也在增加，这正是推动英特尔发展的动力。

英特尔高级副总裁兼组装与测试开发总经理Babak Sabi表示：“经过十年的研究，英特尔已经实现了行业领先的先进封装玻璃基板。我们期待提供这些尖端技术，使我们的主要参与者和代工客户在未来几十年受益。”

基板的演变

据anandtech介绍，芯片产业对基板的需求，最早可以追溯到大规模集成芯片的早期，当时的芯片设计达到了成千上万个晶体管。这些小型晶体管需要连接到更大的引脚，以便由相对庞大的人力安装到系统中，从而产生了第一个芯片封装，例如双列直插式封装。

在当时，它们使用框架（通常是引线框架）来固定实际的硅芯片，框架（或焊线）提供芯片和外部引脚之间的信号路径。

自 70 年代以来，基板设计发生了多次演变。金属框架在 90 年代被经典陶瓷芯片所取代，然后在世纪之交被有机封装所取代。最重要的是，每次迭代的基板都比上一次具有更好的性能，从而可以更轻松地将大量信号和电源引脚布线到日益复杂的芯片上。

虽然现在你仍会到处发现引线框架和陶瓷芯片，但有机基板在过去几十年中一直是该行业的支柱。

据了解，有机基板的材料主要由类似 PCB 的材料和编织玻璃层压板制成，允许通过芯片路由相当多的信号，包括基本的小芯片设计，例如英特尔的移动处理器（具有单独的 PCH 和 CPU 芯片）以及 AMD 基于小芯片的 Zen 处理器。

但有机基板已经成为限制因素一段时间了，尤其是在高端芯片中。英特尔认为，有机基板将在未来几年达到其能力的极限，因为该公司将生产面向数据中心的 SiP，具有数十个tiles，功耗可能高达数千瓦。此类 SiP 需要小芯片之间非常密集的互连，同时确保整个封装在生产过程中或使用过程中不会因热量而弯曲。

为此，过去十年中，我们看到了超高密度互连接口的兴起，例如硅中介层（基板上晶圆上的芯片）及其衍生产品（例如英特尔自己的 EMIB）。这些技术使得公司能够将芯片的关键路径与快速而致密的硅片连接在一起，但成本相当高，而且无法完全解决有机基板的缺点。

因此，英特尔也一直在寻找有机基板的真正替代品，一种能够与大型芯片完美配合的基板，这虽然不能在最高级别取代 CoWoS/EMIB 的需求，但可以提供比当前有机基板更好的信号性能和更密集的布线。

按照英特尔所说，在过去的十多年来里，公司一直在研究和评估玻璃基板作为有机基板替代品的可靠性。公司在亚利桑那州钱德勒的园区拥有一条完全集成的玻璃研发线，该公司在那里开发封装技术。英特尔表示，这条生产线的成本超过 10 亿美元，为了使其正常运行，它需要与设备和材料合作伙伴合作。业内只有少数公司能够负担得起此类投资，而英特尔似乎是迄今为止唯一一家开发出玻璃基板的公司。

值得一提的是，英特尔在实现下一代封装方面拥有悠久的历史，在 20 世纪 90 年代，他们引领了行业从陶瓷封装向有机封装的转变，也是第一个实现卤素和无铅封装的公司，并且是先进嵌入式芯片的封装技术的发明者。英特尔还是业界首个推出主动3D堆叠技术的公司。因此，英特尔能够围绕这些技术解锁从设备、化学品和材料供应商到基板制造商的整个生态系统。

英特尔的玻璃基板革命

英特尔院士兼 Substrate TD 模块工程高级总监 Rahul Manepalli在一个视频中表示，与有机基板相比，玻璃芯基板在封装技术方面提供了实质性改进。与有机材料一样，玻璃还可以制造成各种尺寸。

按照Rahul 的说法，有机基材是一种复合材料，而玻璃是一种均质的非晶态材料。这就使得英特尔能够调整玻璃基板的特性，使其更接近硅的特性，从为许多性能和密度增强提供了机会。

根据英特尔的介绍，其玻璃芯基板的核心在于用玻璃取代有机封装中的有机、类似 PCB 的材料。换而言之，英特尔不会将芯片直接安装在纯玻璃上，而是把基板核心的材料替换成玻璃。同时，金属重新分布层（RDL）仍然存在于芯片的两侧，提供各种焊盘和焊点之间的实际路径。

虽然玻璃基板比现在成熟的有机基板更难加工，但英特尔认为玻璃基板在机械和电气性能方面都更优越，这反过来又使其适合在未来的芯片中使用。

英特尔表示，玻璃芯基板的机械强度远高于有机基板；在封装过程中能够比有机基材更好地承受更高的温度，从而减少翘曲和变形；玻璃也更容易变得平坦，这使得封装和光刻变得更容易；玻璃具有与硅相似的热膨胀系数（与有机基板不同），这意味着仍然因热量而发生的微小翘曲与上面的芯片一致，而不是芯片的不同部分以不同的速率膨胀。

英特尔称，为了弥合机械和电气之间的差距，他们还能够在玻璃通孔（TGV）上实现更紧密的间距，从而通过基板本身传输信号，从而允许整体上有更多数量的通孔。按照英特尔提供的数据，他们能够将 TGV 的间距控制在 100 微米 (μm) 以内，从而将 TGV 密度提高 10 倍。所有这些最终使得通过基板核心路由信号变得更加灵活，并且在某种程度上使得使用更少的 RDL 层路由信号变得更加容易。

这就让实现更大的芯片变得容易，而且允许在相同尺寸的芯片上放置更多的芯片。英特尔声称，玻璃封装将使他们能够在芯片上放置多 50% 的芯片，或者更确切地说，芯片内的芯片复杂区域可能会大 50%，从而实现比英特尔目前所能制造的更密集的芯片封装。

英特尔表示，玻璃基板可实现更高的互连密度（即更紧密的间距），从而使互连密度增加十倍成为可能，这对于下一代SiP的电力传输和信号路由至关重要。特别是，英特尔正在谈论 <5/5um 线/间距和 <100um 玻璃通孔 (TGV) 间距，这使得基板上的芯片到芯片凸块间距 <36um，核心凸块间距 <80um。此外，玻璃基板可将图案畸变减少 50%，从而提高光刻的焦深并确保半导体制造更加精密和准确。

来到电气性能方面，据英特尔透露，玻璃芯基板（更具体地说是 TGV）也能提供更好的表示，这是由于 TGV 中使用的电介质具有低损耗特性，而且数量大得多，因此玻璃芯基板将实现更清洁的信号路由和电力传输。对于前者，这意味着能够通过铜缆发送 448G 信号，而不必使用光纤互连。与此同时，较低损耗的电力传输将减少在到达处理器芯片之前以热量形式损失的能量，从而进一步提高整体芯片效率。

此外，玻璃芯基板还应该使共同封装的光学器件更容易实现。玻璃基板将允许光学互连直接集成到芯片中，而不必以其他方式将其固定。

不过，正如anandtech报道说，虽然玻璃芯基板比有机基板允许更紧密的信号间距，但它们并不能替代 EMIB、Foveros 或其他基于使用硅介质的更先进的封装技术。TGV 的 75μm 间距与 EMIB 的 45μm 间距仍然相去甚远，更不用说为 Foveros Direct 计划的 <10μm 间距了。因此，所有这些封装技术仍将是玻璃芯基板的补充附加技术，最多可以在不需要 EMIB 全面密度改进的产品的边缘情况下取代 EMIB。

为了证明该技术的有效性，英特尔发布了一款全功能测试芯片，该芯片采用 75um TGV，长宽比为 20:1，核心厚度为 1 毫米。虽然测试芯片是客户端设备，但该技术最初将用于构建面向数据中心的处理器。但当技术变得更加成熟后，它将用于客户端计算应用程序。英特尔提到图形处理器是该技术的可能应用之一，由于 GPU 可以消耗任意数量的晶体管，因此它们很可能会受益于互连密度的增加和玻璃基板刚性的提高。

“玻璃基板最初将被引入需要更大外形封装（即数据中心、人工智能、图形）和更高速度功能的应用程序和工作负载的市场。”英特尔说。

只是一个开始

虽然英特尔的这个宣布让大家感到震撼，但从英特尔的讲解看来，这个技术离量产还有一段时间。“如果英特尔的产品开发按计划进行，我们打算在本十年晚些时候开始发货玻璃芯产品。”英特尔方面表示。

对于这家有着远大志向的企业，英特尔也不会保留这项技术。作为该公司成为世界级代工厂的更广泛计划的一部分，英特尔也将适时向 IFS 客户提供玻璃芯基板。

不过，正如anandtech所说，虽然英特尔更兴奋地谈论玻璃芯基板的优点以及他们发现迄今为止效果良好的东西，但一个不可避免的因素是成本。与任何新技术一样，玻璃芯基板的生产和封装成本将比经过验证的真正（且便宜）的有机基板更昂贵。虽然英特尔目前还没有谈论良率，但玻璃将很难与有机材料竞争，至少在一开始是这样。

更广泛地说，玻璃芯基板还意味着英特尔需要为该材料建立一个完整的生态系统。如今，它们不再与有机基板垂直集成，也不会与玻璃垂直集成。为此，英特尔目前已经与合作伙伴合作开发必要的工具和供应能力，以实现初步商业化生产。但从长远来看，英特尔将需要弄清楚如何使外包测试和组装成为可能，特别是因为英特尔计划未来向 IFS 客户提供玻璃核心基板。

同时，英特尔并不是唯一看好玻璃芯基板的企业。在今年年初，来自日本的大日本印刷 (DNP)就展示了公司的玻璃芯基板 (GCS)产。据他们所说，这可以解决其中许多挑战。

他们指出，具有玻璃芯的 HDI 基板与有机树脂基基板相比，具有更优越的性能。例如使用玻璃芯基板（GCS）可以实现更精细的间距，因此可以实现极其密集的布线，因为它更坚硬并且不易因高温而膨胀。在DNP 展示的示意图中，甚至完全省略了封装中的细间距基板，这意味着可能不再需要该部件。

DNP还声称，其玻璃芯基板可以提供高纵横比的高玻璃通孔 (TGV) 密度（与 FPS 兼容）。在这种情况下，长宽比是玻璃厚度与通孔直径之间的比率。随着通孔数量的增加和比例的增加，基板的加工变得更加困难，并且保持刚性变得更加具有挑战性。

总之，下一场封装革命已然打响。

参考链接

https://www.anandtech.com/show/20058/intel-shows-off-glass-core-substrate-plans-deployment-late-decade

https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/news/intel-unveils-industry-leading-glass-substrates.html

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