取代硅和有机基板 玻璃基板风口已来？

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来源 /   Semiconductor Engineering;荣格电子芯片编译

作者  /  GREGORY HALEY

 

 

芯片行业正在竞相开发用于先进封装的玻璃，这为芯片材料几十年来最大的转变之一奠定了基础，并将带来一系列广泛的新挑战，这些挑战需要数年时间才能完全解决。

 

十多年来，玻璃是否能作为硅和有机基板在多芯片封装中的替代材料，一直被广泛讨论。但随着摩尔定律的失效，从平面芯片到先进封装的转变现在几乎是前沿设计的必然。现在的挑战是如何更高效地制造这些设备，而玻璃已成为封装和光刻前沿的关键推动因素。英特尔去年宣布，将在本十年的后半段推出玻璃基板。美国政府根据《美国芯片法案》（U.S. CHIPS ACT）向韩国SKC的子公司Absolics授予7500万美元，用于在佐治亚州建造一座12万平方英尺的工厂，生产玻璃基板。

 

“玻璃的好处是显而易见的。”英特尔研究员兼基板TD模块工程总监Rahul Manepalli表示：“但你必须解决的问题包括界面应力，了解玻璃的断裂动力学，以及如何将应力从一层解耦到另一层。”

 

玻璃的脆性被视为首要问题，尤其基板被做得更薄，以满足现代半导体器件的要求。处理和加工这些薄玻璃基板需要一丝不苟的护理和精确度，因为破损的风险会显著增加。

 

玻璃还使检测和计量更具挑战性。“我们正在从晶圆光刻中常见的较小区域过渡。”Onto Innovation光刻产品营销总监Keith Best认为，“在使用玻璃时，仅仅扩大规模是不够的。它需要一个低数值孔径（NA）镜头系统，其能够在不影响分辨率的情况下在更大的区域内实现必要的焦深。”

 

此外，大型代工厂和OSAT已经在其他材料上进行了大量投资，例如覆铜板。这些已被现场验证为 PCB 的基础材料，但当封装行业降至 2/2nm 线/空间以下时，它们将失去动力。转向玻璃需要新一轮的设备投资和新工艺，或者以某种方式将其与现有工艺相结合。

 

“目前还没有方程式可以让我们为玻璃基板创建一条专用生产线，”日月光集团高级副总裁尹昌表示：“今天没有企业可以支持这一点。它必须符合标准流程，否则采用将需要更长的时间。”

 

 

Part 1

为什么是玻璃，为什么是现在？

 

尽管存在这些障碍，但业界普遍承认玻璃面板的变革潜力及其最终被采用的可能性很高。玻璃具有卓越的尺寸稳定性，并且能够通过更精细的图案支撑更大的区域。它还具有与硅相同的热膨胀系数，并且非常平坦和稳定。

 

“玻璃肯定有一种趋势，”佳能营销经理Doug Shelton表示：“玻璃非常宽容，它有一些有利的电气特性。它使光刻方面更容易，只要他们不试图变得超薄。”

 

玻璃最吸引人的特点之一是其低介电常数，最大限度地减少了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。它还降低了互连之间的电容，从而加快了信号传输速度并提高了整体性能。在数据中心、电信和高性能计算等注重速度的应用中，使用玻璃基板可以显著提高系统效率和数据吞吐量。

 

低介电常数还可实现更好的阻抗控制，确保整个电路的信号完整性。这在射频应用中尤为有吸引力，因为阻抗匹配对于最大限度地提高功率传输和最小化信号损耗至关重要。通过在基板表面提供一致的电气特性，玻璃基板有助于设计和制造高频电路，并增强可靠性和性能。

 

玻璃基板的另一个关键优势是出色的热稳定性，这对于在波动的热条件下保持器件性能起着至关重要的作用。与在热应力下会变形或分层的覆铜板不同，玻璃基板在很宽的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，玻璃能够承受热循环并在应力下保持尺寸完整性，有助于防止电气短路、开路或其他通常与温度引起的机械应变相关的可靠性问题。

 

“在以数据为中心的世界中，我们预计玻璃将首先被采用，并采用基于AI/ML的封装，”英特尔的Manepalli表示：“性能立即使该应用程序受益。”

 

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，允许组件更紧密地集成并增加封装密度。通过消除与基板翘曲或变形相关的问题，玻璃基板可以更精确地对准芯片组件，实现更精细的间距互连，并改善整体系统性能。

 

Promex Industries 首席运营官 David Fromm 表示：“看看这些玻璃材料如何在基板层面和更高层次的集成中进入这些复杂设备的生态系统，这将是一件有趣的事情。”

 

 

Part 2

工艺改进

 

玻璃基板的另一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，因为在面板级光刻工艺中，特征的精确对准和均匀性对于实现高分辨率图案化至关重要。玻璃基板可确保光刻过程中的焦平面对准一致，从而能够创建具有卓越精度和可重复性的细间距互连和复杂的电路图案。

 

此外，玻璃基板的平整度通过最大限度地减少图案变形或错位等缺陷的发生，提高了半导体器件的良率和可靠性。这反过来又会带来更高的制造良率和整体器件性能的改善，特别是在需要严格公差和高集成度的应用中。

 

向玻璃的过渡也支持工艺流程。凭借其在一系列加工条件下的可预测行为，玻璃将工艺变量降至最低。一旦处理问题得到解决，工程师可以围绕可靠且一致响应的材料微调他们的流程，从而提高生产线的效率和可预测性。

 

“玻璃面板加工需要一丝不苟的精度，”Best补充道：“但是一旦你确定了你的过程，材料就会对你起作用，而不是对你不利。”

 

玻璃基板光刻技术面临的一个重大挑战是其固有的易碎性，随着行业向更薄的基板发展以适应对更高器件集成度和性能的需求，这种易碎性变得尤为明显。薄玻璃面板的厚度通常达到100μm或更小，在处理和制造过程中存在重大风险。玻璃在应力下容易开裂或破碎，这凸显了对专门设备和工艺的需求，以安全管理材料。

 

“玻璃基板有自己的一系列挑战，”诺信测试与检测产品线总监 Brad Perkins 表示：“当你看到一个500多毫米的正方形的大型玻璃面板时，你会遇到一些真正的挑战，比如弯曲和翘曲的程度，然后你如何保持它们？”

 

解决这种脆弱性需要处理系统与光刻技术本身的复杂性相匹配。先进封装公司正在积极探索强大的搬运、真空和机械支持系统，以运输和加工这些精致的玻璃面板而不会破损。此外，人们正在寻求从光刻设备中装载和卸载基板的软处理技术的创新，以降低与处理易碎玻璃基板相关的风险。

 

“薄玻璃基板非常脆弱，需要小心处理，”Onto's Best表示：“它需要技巧、精确度，最重要的是，需要处理技术的创新。你必须非常小心地移动它。例如，当你把它放在电镀槽中时，镀液的搅动和湍流会粉碎它。”

 

 

Part 3

混合基板

 

玻璃还可以与传统基板结合使用，使现有方法能够利用玻璃的热稳定性和电气优势，同时利用材料（如有机层压板或硅中介层）的机械稳健性和成熟的制造实践。其结果是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各种需求。

 

例如，混合基板可能具有用于低损耗、高频信号传输的玻璃芯，并采用覆铜板 （CCL） 分层，以提高结构刚度和成本效益。这种协同组合可以减轻与玻璃相关的一些挑战，例如脆性，同时利用其高性能特性。

 

“玻璃与其他基材的结合不仅仅是将两全其美的结合，”Onto's Best表示：“这是为了获得我们以前从未见过的性能特征。”

 

 

Part 4

标准化和兼容性

 

采用玻璃面板面临的一个重大障碍是缺乏玻璃基板尺寸、厚度和性能的统一标准。与符合全球精确规格的硅晶圆不同，玻璃基板目前缺乏普遍接受的尺寸和特性。对于努力生产通用兼容工具的设备制造商，以及寻求在不对其工艺进行重大调整的情况下交换基板的半导体晶圆厂来说，标准化方面的这种缺陷使问题变得复杂。

 

与标准化密切相关的是兼容性问题，不仅在不同批次的玻璃基板之间，而且在基板和它们所支持的半导体器件之间也是如此。必须仔细匹配玻璃独特的电学和热学特性与半导体器件的电学和热学特性。

 

“你不会在成熟的产品上使用玻璃，”ASE的Chang补充道：“它将用于最先进的应用，提供更好的电源解决方案。但这将更难处理。这是它的关键问题之一。

 

随着半导体行业向小芯片和 3D-IC 等先进封装方法发展，后端工艺正在发生显著转变。这种转变涉及采用和调整传统上与前端半导体制造相关的方法。

 

光刻技术现在在创建低于2μm的线间距方面发挥着关键作用，这是采用小芯片和2.5D/3D-IC封装所必需的。但这些更精细的尺寸也要求材料能够承受更严格的加工条件，同时保持结构和功能的完整性。

 

“我们现在面临的最大挑战是充分利用光刻工具，”Synopsys 高级产品营销经理 Travis Brist 表示：“虽然一直有这样做的推动力，但它变得越来越重要。

 

由于封装中对基板形式的限制较少，并且能够使用具有较低数值孔径的更大镜头，封装供应商正在转向扇出面板级封装 （FOPLP），以处理每个面板的更多封装，从而降低成本。据估计，相对于圆形 300 毫米晶圆扇出，面板成本可降低 30% 至 40%。[1]

 

图 1：面板级封装可显著增加芯片，作为基板尺寸的函数。来源：Onto Innovation

 

 

Part 5

创新

 

与硅晶圆相比，面板具有更大的尺寸和不同的物理特性，实现先进封装所需的细间距互连需要光刻技术，这些技术可以在面板基板中产生更小的特征尺寸，而不会影响对准精度。这在较大的面板上尤其具有挑战性，因为在大型面板上，翘曲成为一个问题，必须在光刻过程中加以考虑。

 

覆铜板 （CCL） 因其耐用性、坚固的机械性能和成本效益而成为 FOPLP 的首选基板材料。它的成分使其成为严苛的半导体封装工艺的耐用选择，玻璃纤维和铜的相对可负担性有助于其广泛采用。

 

但是，CCL的结构有助于其强度，也使其在FOPLP中典型的热应力和机械应力下容易翘曲。基板的每一层都可能产生略有不同的叠加偏差，这是由于面板变形引起的复杂情况。这种偏差对于控制至关重要，因为它们可能导致在保持一致的线模式和特征大小方面带来挑战。即使是微小的差异也会导致大量的产量损失，并影响包装的整体功效。

 

此外，CCL在基板表面的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。

 

“覆铜板非常坚固，但当涉及到翘曲和变形时，它非常不稳定，”Onto's Best表示：“但CCL是今天大多数人玩的地方。他们得到了 9/12 [nm 线/空间]，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 的终结。然后是争夺玻璃的竞赛。”

 

相容性超越了玻璃的物理特性，包括半导体堆栈中使用的其他材料（如电介质和金属）的附着力，与传统基板相比，这些材料在玻璃上的表现可能不同。

 

在缺乏行业标准的情况下，性能可变性也成为一项共同的挑战。随着每个制造商都坚持其专有的玻璃基板规范，因此出现了这样一种情况，即一家公司的产品可能与另一家公司的产品性能不同，即使对于相同的应用也是如此。

 

随着先进封装朝着更细的间距和更复杂的互连技术发展，玻璃与堆栈中其他材料之间的热膨胀系数和电性能差异变得越来越重要。如果没有标准化，玻璃与玻璃通孔 （TSV） 和微凸块等技术的集成将充满复杂性，可能会影响良率和可靠性。

 

为了应对这些挑战，需要全行业的合作来制定和采用玻璃基板标准。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，他们都有助于建立可靠的标准，以提高制造过程的可预测性和效率。

 

标准化和兼容性至关重要，因为玻璃基板渴望在未来的先进封装中发挥关键作用。只有通过行业合作和就通用协议达成一致，才能实现玻璃基板的全部优势。

 

 

Part 6

结论

 

借助玻璃面板，制造商可以突破互连密度的界限，为更复杂、更紧密集成的电路铺平道路。由于整个基板的电气特性均匀，器件不仅变得更小、更快，而且更可靠，确保了一批又一批的一致设备性能。

 

“玻璃可以做更多的事情，我们甚至还没有触及表面，”Manepalli补充道：“我们甚至还没有使用玻璃来获得高频优势。想象一下，一旦我们弄清楚了这个过程，你可以用玻璃创造的东西及其优越的特性。”

 

 

原文链接

https://semiengineering.com/the-race-to-glass-substrates/

 

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